CN104949616A - 回射式光栅尺测量系统及其应用 - Google Patents

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CN104949616A
CN104949616A CN201410114025.4A CN201410114025A CN104949616A CN 104949616 A CN104949616 A CN 104949616A CN 201410114025 A CN201410114025 A CN 201410114025A CN 104949616 A CN104949616 A CN 104949616A
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China
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optical grating
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吴萍
张志平
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Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
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Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种回射式光栅尺测量系统及其应用,该系统包括光栅尺测量探头和光栅,其中,所述光栅尺测量探头包括光源、信号输出单元、测量单元和回射单元,所述光源发出的光束入射至所述测量单元,从所述测量单元出射后以非利特罗角度入射至所述光栅上,经光栅衍射后的光束入射至所述回射单元,经所述回射单元回射的光束沿入射光方向原路返回所述光栅上,在光栅上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元,经所述测量单元作用后,入射至所述信号输出单元,从所述信号输出单元输出测量信号。本发明的测量系统在工作中受环境影响较小,相对于干涉仪具有更好的重复精度,同时能够满足大垂向测量范围的应用需求。

Description

回射式光栅尺测量系统及其应用
技术领域
本发明涉及一种回射式光栅尺测量系统及其应用。
背景技术
纳米测量技术是纳米加工、纳米操控、纳米材料等领域的基础。而IC产业、精密机械、微机电系统等都需要高分辨率、高精度的位移传感器,以达到纳米精度定位。
随着集成电路朝大规模、高集成度的方向飞跃发展,光刻机的套刻精度要求也越来越高,与之相应地,获取工件台、掩模台的六自由度位置信息的精度也随之提高。
干涉仪有较高的测量精度,可达纳米量级,在光刻系统中,被运用于测量工件台、掩模台的位置。然而,目前干涉仪的测量精度几乎达到极限,同时干涉仪测量精度受周围环境影响较大,测量重复精度不高(即便环境很好,也会超过1nm),传统干涉仪测量系统很难满足进一步提高套刻精度的要求。所以高精度、高稳定性的皮米测量方案迫切需要。
光栅尺测量系统在工作中受环境影响较小,有较好的重复精度,在新一代光刻系统中已开始逐渐取代干涉仪,承担高精度、高稳定性皮米精度测量任务。
例如,一种方式是以littrow(利特罗)角度θ入射光栅的测量系统,可同时获得水平方向和垂直方向的二维位置数据,所述的littrow角度其中,λ为入射光源的波长;k为光栅间距。当在运动台上合理布局多个测量探头时,即可获取运动台六自由度(X、Y、Z、Rx、Ry、Rz)数据。
另一种方式,也是利用光栅尺实现测量,它采用非littrow角入射光栅,角锥棱镜返回衍射光束后获取水平方向和垂直方向的二维位置数据。但采用角锥棱镜的结构,会限制光栅尺垂直方向(Z)的测量范围,使垂直方向的测量范围限制在几个毫米之内,该方案无法满足大垂向测量范围的应用需求。
发明内容
本发明提供一种回射式光栅尺测量系统及其应用,以解决现有的光栅尺测量系统无法满足大垂向测量范围的应用需求的问题。
为解决上述技术问题,本发明提供一种回射式光栅尺测量系统,包括光栅尺测量探头和光栅,其中,所述光栅尺测量探头包括光源、信号输出单元、测量单元和回射单元,所述光源发出的光束入射至所述测量单元,从所述测量单元出射后以非利特罗角度入射至所述光栅上,经光栅衍射后的光束入射至所述回射单元,经所述回射单元回射的光束沿入射光方向原路返回所述光栅上,在光栅上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元,经所述测量单元作用后,入射至所述信号输出单元,从所述信号输出单元输出测量信号。
较佳地,所述回射单元为反射镜、反射光栅、或者透射光栅与反射镜的组合。
较佳地,所述光源为激光光源。
较佳地,所述激光光源为单频激光光源或双频激光光源。
较佳地,所述光源还包括传输光纤和准直器,所述激光光源发出的激光束通过所述传输光纤远程连接至所述准直器,光束经所述准直器处理入射至所述测量单元。
较佳地,所述测量单元包括偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二反射镜、角锥棱镜和第二四分之一波片,所述光源发出的光束入射至所述偏振分光棱镜,在所述偏振分光棱镜的分光面进行分光,一部分光束经所述第一四分之一波片后入射至所述第二反射镜,被所述第二反射镜反射,并再次经过所述第一四分之一波片后从所述偏振分光棱镜的分光面透射至所述角锥棱镜,经所述角锥棱镜的反射后再次通过所述分光面透射,并依次入射至所述第一四分之一波片和第二反射镜,被第二反射镜反射的光束再次经过四分之一波片后在分光面发生反射,进入所述信号输出单元,作为参考光束;另一部分光束从所述偏振分光棱镜的分光面透射,经第二四分之一波片后以入射角α入射至所述光栅上,并以β角发生衍射,衍射光束入射至所述回射单元,经所述回射单元的回射按原路返回至所述光栅,并沿α角返回测量单元,再次经过所述第二四分之一波片后经所述分光面进行反射,经所述角锥棱镜再次反射,在所述分光面反射后再次入射至光栅,经所述回射单元后原路返回至所述测量单元,最终从所述分光面透射,入射至所述信号输出单元,作为测量光束。
较佳地,所述信号输出单元根据所述测量光束与所述参考光束得到干涉条纹数,并计算出光栅相对于所述光栅尺测量探头的位移信息。
较佳地,所述信号输出单元为探测器。
较佳地,所述探测器采用单一探测器或四象限探测器。
较佳地,所述探测器还包括耦合器和探测光纤,从所述测量单元输出的带有位移信息的信号光由所述耦合器耦合至所述探测光纤,并通过所述探测光纤传输至所述探测器进行探测。
本发明还提供了一种二维测量系统,采用光栅和两个上述的光栅尺测量探头组成,所述光栅沿X方向设置,所述两个光栅尺测量探头设置于所述光栅的同侧,并以Z方向为对称轴对称设置。
本发明还提供了一种六自由度测量系统,采用二维光栅和三个上述的光栅尺测量探头组成,所述二维光栅沿X方向和Y方向设置,其中两个光栅尺测量探头沿Y方向设置于X方向的正向或负向,另外一个光栅尺测量探头设置于X方向的负向或正向。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1.相对于干涉仪,本发明具有更高的精度和稳定性,能够实现皮米精度测量;
2.本发明中,从测量单元出射的光束以非利特罗角度入射至光栅上,可较方便地实现水平方向和垂直反向的二维位置测量,并且不会限制垂直方向的测量范围;
3.当在运动台上合理布局多个光栅尺测量探头时,即可获取运动台高精度、高稳定性的六自由度(X、Y、Z、Rx、Ry、Rz)数据。
附图说明
图1为本发明的回射式光栅尺测量系统的结构示意图;
图2为本发明实施例1的回射式光栅尺测量系统的结构及光路示意图(光源为双频激光光源,探测器为单一探测器);
图3为本发明实施例1的回射式光栅尺测量系统的结构及光路示意图(光源为单频激光光源,探测器为四象限探测器);
图4为本发明实施例1的回射式光栅尺测量系统的结构及光路示意图(采用光纤远程传输);
图5为本发明的二维测量系统的结构示意图;
图6为本发明的六自由度测量系统的结构示意图;
图7为本发明实施例2的回射式光栅尺测量系统的结构示意图;
图8为本发明实施例3的回射式光栅尺测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。需说明的是,本发明附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1,本发明提供的回射式光栅尺测量系统,包括:光栅尺测量探头100和光栅200,其中,所述光栅尺测量探头100包括光源110、信号输出单元120、测量单元130和回射单元140,所述光源110发出的光束入射至所述测量单元130,从所述测量单元130出射后以非利特罗角度入射至所述光栅200上,经光栅200衍射后的光束入射至所述回射单元140,经所述回射单元140回射的光束沿入射光方向原路返回所述光栅200上,在光栅200上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元130,经所述测量单元130作用后,入射至所述信号输出单元120,从所述信号输出单元120输出测量信号。相对于干涉仪,本发明提供的回射式光栅尺测量系统具有更高的精度和稳定性,能够实现皮米精度测量;从测量单元130出射的光束以非利特罗角度入射至光栅200上,可较方便地实现水平方向和垂直反向的二维位置测量,并且不会限制垂直方向的测量范围,从而满足大垂向测量范围的应用需求。
实施例1
较佳地,请重点参考图2,所述回射单元140为反射镜141;所述光源110为双频激光光源111;所述探测器121为单一探测器。
较佳地,所述测量单元130包括偏振分光棱镜131、第一四分之一波片132、第二反射镜133、角锥棱镜134和第二四分之一波片135,从光源110发射的光束300是具有一定频差的正交偏振光,包括P偏振光和S偏振光,其具体的光路走向为:光束300入射至所述偏振分光棱镜131,在所述偏振分光棱镜131的分光面131’进行分光,一部分光束311(S偏振光)经所述第一四分之一波片132(相位变化90度)后入射至所述第二反射镜133,被所述第二反射镜133反射,并再次经过所述第一四分之一波片132后(相位变化180度)的光束312,此时,光束312为P偏振光,从所述偏振分光棱镜131的分光面131’透射至所述角锥棱镜134,经所述角锥棱镜134的反射后再次通过所述分光面131’透射形成光束313,并依次入射至所述第一四分之一波片132和第二反射镜133,被第二反射镜133反射的光束314再次经过四分之一波片132后(相位变化180度,变为S偏振光)在分光面131’发生反射,进入所述探测器121,作为参考光束315;另一部分光束321(P偏振光)从所述偏振分光棱镜131的分光面131’透射,经第二四分之一波片135后(相位变化90度)以入射角α(当然,所述入射角α为非littrow角度)入射至所述光栅200上,并以β角发生衍射,衍射光束322入射至所述反射镜141,当然,所述衍射光束322需与反射镜141的反射面垂直,经所述反射镜141的反射光束323按原路返回至所述光栅200,经光栅200反射的光束324沿α角返回测量单元130,再次经过所述第二四分之一波片135后(相位变化180度,变为S偏振光)经所述分光面131’进行反射,经所述角锥棱镜134再次反射,在所述分光面131’反射后的光束325再次入射至光栅200,形成的光束326经所述反射镜141的反射后形成光束327,经光栅200反射后的光束328原路返回至所述测量单元130,并变为P偏振光,最终从所述分光面131’透射,入射至所述探测器121,作为测量光束328。
较佳地,请继续参考图2,所述测量光束328与所述参考光束315同时经过偏振片122后,在探测器121表面形成干涉条纹信息,通过光电转换后获得干涉条纹数,并由此计算出光栅200相对于所述光栅尺测量探头100的位移信息。
光栅200的光栅间距为d,激光光源波长为λ,根据光栅方程可知,d*(sinα+sinβ)=λ。假设光栅200相对于光栅尺测量探头100在X方向移动Δx,在Z方向移动Δz,则在探测器121处探测到的条纹数N1为:
N 1 = 2 Δx d + 2 Δz d ( sin α + sin β cos ( α + β ) cos α ) - - - ( 1 - 1 )
采用该结构,探测器121测得的数据中同时包含X方向和Z方向的位移量。为了分别获取X方向和Z方向的位移量,需要增加一个光栅尺测量探头100,对两个自由度的数据解耦。能同时获得二维方向位移数据的光栅尺测量系统结构图如图5所示,具体地,所述光栅200沿X方向设置,所述两个光栅尺测量探头100设置于所述光栅200的同侧,并以Z方向为对称轴对称设置。本实施例中,二维测量系统增加了一套对称的结构,当光栅200相对于测量探头100在X方向和Z方向移动时,在另外一个探测器121处探测到的干涉条纹数N2为:
N 2 = 2 Δx d + 2 Δz d ( sin α + sin β cos ( α + β ) cos α ) - - - ( 1 - 2 )
因此,根据1-1,1-2式,即可得出光栅200相对于光栅尺测量探头100的位移Δx和Δz分别为:
Δx = d 4 ( N 1 - N 2 ) - - - ( 1 - 3 )
Δz = d 4 ( N 1 + N 2 ) ( cos α sin α + sin β cos ( α + β ) ) - - - ( 1 - 4 )
本实施例所述的光栅尺测量探头100,采用反射镜141作为回射器件,不会限制光栅200相对于光栅尺测量探头100的距离,只要适当增加反射镜141的尺寸,即可保证光栅200相对于光栅尺测量探头100在Z方向运动时,光栅尺测量探头100可以正常工作并获取Z向位移数据。
本实施例1中的二维光栅尺测量探头,可以同时获取水平方向和垂直方向的二维位移数据。当在运动台500上合理布置三个光栅尺测量探头100,即可获得光栅200相对与光栅尺测量探头100运动的六自由度位移数据,其原理图如图6所示。具体地,本发明提供的六自由度测量系统,采用二维光栅501和三个光栅尺测量探头502a、502b、502c组成,所述二维光栅501沿X方向和Y方向设置,即三个光栅尺测量探头502a、502b、502c在二维光栅501上沿X方向和Y方向运动,其中两个光栅尺测量探头502a、502b沿Y方向设置于X方向的负向,另外一个光栅尺测量探头502c设置于X方向的正向,当然,三个光栅尺测量探头502a、502b、502c的具体位置可根据实际情况调换,此处不做限定。本实施例中,光栅尺测量探头502a和502b测量二维光栅501在X和Z方向的运动;光栅尺测量探头502c测量二维光栅501在Y和Z方向的运动;二维光栅501的Rx可以由光栅尺测量探头502a和502b在Z方向数据运算得出;二维光栅501的Ry可以由三个光栅尺测量探头502a、502b、502c在Z方向数据运算得出;二维光栅501的Rz可以由光栅尺测量探头502a和502b在X方向数据运算得出。从而获得运动台500高精度、高稳定性的六自由度数据。
较佳地,请重点参考图3,所述光源110为单频激光光源112;所述探测器121为四象限探测器。具体地,单频激光光源112的线偏振方向相对于偏振分光棱镜131呈45度角放置,此时对于偏振分光棱镜131来说,单频激光光源112有一半能量以P偏振态入射,一半能量以S偏振态入射。S偏振态的光束由测量单元130反射后沿光束315方向出射,形成参考光信号;P偏振态的光束经测量单元130作用后,入射到光栅200上,衍射光束由回射单元140的反射镜141反射之后,回射至光栅200,再次经过测量单元130后第二次由光栅200反射,最终携带了光栅200相对于光栅尺测量探头100运动位移信息的光束328同样沿光束315方向出射,与未携带运动位移信息的参考光信号一起,被探测器121探测并获取光栅200相对于光栅尺测量探头100的位移信息。
请继续参考图3,探测器121采用四象限探测器进行探测,可实现位移辨向,并可消除直流漂移。具体地,所述四象限探测器包括两个正交偏振态的激光束315经过45度方向放置的第三四分之一波片401之后,变为旋向相反的两个圆偏振光,然后由分光镜402将光束分为两部分,一部分通过第二偏振分光棱镜403,一部分通过第三偏振分光棱镜404,所述第三偏振分光棱镜404相对于第二偏振分光棱镜403分光面旋转45度放置,第一探测器405、第二探测器406、第三探测器407、第四探测器408依次获取相位相差90度的四个干涉信号。通过两两差动放大之后,即可获得光栅200相对于光栅尺测量探头100的位移信息。
请重点参考图4,所述光源110可以通过光纤远程连接到所述光栅尺测量探头100,同样的,光信号也可以用光纤远程传输至所述探测器121,具体地,所述光源110还包括传输光纤113和准直器114,所述激光光源发出的激光束通过所述传输光纤113远程连接至所述准直器114,光束经所述准直器114处理入射至所述测量单元130;所述探测器121还包括耦合器123和探测光纤124,从所述测量单元130输出的带有位移信息的信号光由所述耦合器123耦合至所述探测光纤124,并通过所述探测光纤124传输至所述探测器121进行探测。采用光纤远程传输的方式,可以减小光栅尺测量探头100的体积;同时,由于光源110和探测器121都是发热量较大的器件,将二者放置在光栅尺测量探头100的外部,能够大大减小光栅尺测量探头100的发热量,提高回射式光栅尺测量系统的温度稳定性。
实施例2
请重点参考图7,本实施例与实施例1的区别在于,回射单元140采用反射光栅142。
具体地,参考光束和测量光束经过偏振片后,在探测器表面形成干涉条纹信号,通过光电转换后获得干涉条纹数,并由此计算出光栅相对于光栅尺测量探头100的位移信息。光栅200的光栅间距为d,激光光源波长为λ,根据光栅方程可知,d*(sinα+sinβ)=λ。假设光栅200相对于光栅尺测量探头100在X方向移动Δx,在Z方向移动Δz,则在探测器处探测到的条纹数N3为:
N 3 + 2 Δx d + 2 Δz ( tan α + sin β cos ( α + β - θ ) cos α cos θ ) ( 1 d + 1 k 1 cos ( β - θ ) ) - - - ( 1 - 5 )
其中,α为光束321入射至光栅200的入射角,β为光束322从光栅200的出射角,θ为光束322入射至反射光栅142的入射角。
本实施例中,探测器测得的数据中同时包含X方向和Z方向的位移量。为了分别获取X方向和Z方向的位移量,需要增加一个光栅尺测量探头100,对两个自由度的数据解耦。增加的一个光栅尺测量探头100与图5结构类似,两个部分对称放置。
设:
m = 1 ( tan α + sin β cos ( α + β - θ ) cos α cos θ ) ( 1 d + 1 k 1 cos ( β - θ ) ) ,
则增加的一个光栅尺测量探头100探测到的条纹数N4为:
N 4 = - 2 Δx d + 2 Δz m - - - ( 1 - 6 )
因此,根据1-5,1-6式,即可得出光栅200相对于光栅尺测量探头100的位移Δx和Δz分别为:
Δx = d 4 ( N 3 - N 4 ) - - - ( 1 - 7 )
Δz = m 4 ( N 3 + N 4 ) - - - ( 1 - 8 )
本实施例采用反射光栅142作为回射器件,同样不会限制光栅200相对于光栅尺测量探头100的距离,只要适当增加反射光栅142的尺寸,即可保证光栅200相对于光栅尺测量探头100在Z方向运动时,使得光栅尺测量探头100可以正常工作并获取Z向位移数据。
实施例3
请重点参考图8,本实施例与实施例1和实施例2的区别在于,回射单元140采用透射光栅143与反射镜144的组合的形式。
具体地,由于本实施例中透射光栅143和反射镜144所组成的回射单元140具有与实施例2中反射光栅142相同的作用,且光路结构类似,在探测器处探测到的条纹数可按照式(1-5)计算。
采用本实施例中的结构,探测器测得的数据中同时包含X方向和Z方向的位移量。为了分别获取X方向和Z方向的位移量,需要增加一个光栅尺探测头100,对两个自由度的数据解耦。增加的一个光栅尺探测头100与图5结构类似,两个部分对称放置。光栅200相对于光栅尺测量探头100的位移Δx和Δz分别可参考式(1-6)、式(1-7)和式(1-8)计算。
采用透射光栅143与反射镜144作为回射器件,同样不会限制光栅200相对于光栅尺测量探头100的距离,只要适当增加透射光栅143与反射镜144的尺寸,即可保证光栅200相对于光栅尺测量探头100在Z方向运动时,使得光栅尺测量探头100可以正常工作并获取Z向位移数据。
综上所述,本发明提供的一种回射式光栅尺测量系统及其应用,该系统包括光栅尺测量探头100和光栅200,其中,所述光栅尺测量探头100包括光源110、信号输出单元120、测量单元130和回射单元140,所述光源110发出的光束入射至所述测量单元130,从所述测量单元130出射后以非利特罗角度入射至所述光栅200上,经光栅200衍射后的光束入射至所述回射单元140,经所述回射单元140回射的光束沿入射光方向原路返回所述光栅200上,在光栅200上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元130,经所述测量单元130作用后,从所述信号输出单元120输出测量信号。本发明的测量系统在工作中受环境影响较小,相对于干涉仪具有更好的重复精度,同时能够满足大垂向测量范围的应用需求。
显然,本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种回射式光栅尺测量系统,其特征在于,包括光栅尺测量探头和光栅,其中,所述光栅尺测量探头包括光源、信号输出单元、测量单元和回射单元,所述光源发出的光束入射至所述测量单元,从所述测量单元出射后以非利特罗角度入射至所述光栅上,经光栅衍射后的光束入射至所述回射单元,经所述回射单元回射的光束沿入射光方向原路返回所述光栅上,在光栅上发生第二次衍射后原路返回至所述测量单元,经所述测量单元作用后,入射至所述信号输出单元,从所述信号输出单元输出测量信号。
2.如权利要求1所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述回射单元为反射镜、反射光栅、或者透射光栅与反射镜的组合。
3.如权利要求1所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述光源为激光光源。
4.如权利要求3所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述激光光源为单频激光光源或双频激光光源。
5.如权利要求3或4所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述光源还包括传输光纤和准直器,所述激光光源发出的激光束通过所述传输光纤远程连接至所述准直器,光束经所述准直器处理入射至所述测量单元。
6.如权利要求1所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述测量单元包括偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二反射镜、角锥棱镜和第二四分之一波片,所述光源发出的光束入射至所述偏振分光棱镜,在所述偏振分光棱镜的分光面进行分光,一部分光束经所述第一四分之一波片后入射至所述第二反射镜,被所述第二反射镜反射,并再次经过所述第一四分之一波片后从所述偏振分光棱镜的分光面透射至所述角锥棱镜,经所述角锥棱镜的反射后再次通过所述分光面透射,并依次入射至所述第一四分之一波片和第二反射镜,被第二反射镜反射的光束再次经过四分之一波片后在分光面发生反射,进入所述信号输出单元,作为参考光束;另一部分光束从所述偏振分光棱镜的分光面透射,经第二四分之一波片后以入射角α入射至所述光栅上,并以β角发生衍射,衍射光束入射至所述回射单元,经所述回射单元的回射按原路返回至所述光栅,并沿α角返回测量单元,再次经过所述第二四分之一波片后经所述分光面进行反射,经所述角锥棱镜再次反射,在所述分光面反射后再次入射至光栅,经所述回射单元后原路返回至所述测量单元,最终从所述分光面透射,入射至所述信号输出单元,作为测量光束。
7.如权利要求6所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述信号输出单元根据所述测量光束与所述参考光束得到干涉条纹数,并计算出光栅相对于所述光栅尺测量探头的位移信息。
8.如权利要求1所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述信号输出单元为探测器。
9.如权利要求8所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述探测器采用单一探测器或四象限探测器。
10.如权利要求8或9所述的回射式光栅尺测量系统,其特征在于,所述探测器还包括耦合器和探测光纤,从所述测量单元输出的带有位移信息的信号光由所述耦合器耦合至所述探测光纤,并通过所述探测光纤传输至所述探测器进行探测。
11.一种二维测量系统,采用光栅和两个如权利要求1所述的光栅尺测量探头组成,其特征在于,所述光栅沿X方向设置,所述两个光栅尺测量探头设置于所述光栅的同侧,并以Z方向为对称轴对称设置。
12.一种六自由度测量系统,采用二维光栅和三个如权利要求1所述的光栅尺测量探头组成,其特征在于,所述二维光栅沿X方向和Y方向设置,其中两个光栅尺测量探头沿Y方向设置于X方向的正向或负向,另外一个光栅尺测量探头设置于X方向的负向或正向。
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