[发明专利]抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光栅测量方法及测量系统，尤其涉及一种双频激光光栅干涉三维测量方法及测量系统。

背景技术

半导体制造装备中的光刻机是半导体芯片制作中的关键设备。超精密工件台是光刻机的核心子系统，用于承载掩模板和硅片完成高速超精密步进扫描运动。超精密工件台以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密运动系统中最具代表性的一类系统。为实现上述运动，超精密工件台通常采用双频激光干涉仪测量系统测量超精密工件台多自由度位移。然而随着测量精度、测量距离、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪以环境敏感性、测量速度难以提高、占用空间、价格昂贵、测量目标工件台难以设计制造控制等一系列问题难以满足测量需求。

针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光栅测量系统，研究成果在诸多专利论文中均有揭露。荷兰ASML公司美国专利US7，102,729B2(公开日2005年8月4日)、US7，483,120B2(公开日2007年11月15日)、US7，940,392B2(公开日2009年12月24日)、US2010／0321665A1(公开日2010年12月23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一维或二维的平面光栅配合读数头测量工件台水平大行程位移，高度方向位移测量采用电涡流或干涉仪等高度传感器，但多种传感器的应用限制工件台测量精度。美国ZYGO公司美国专利公开号US2011／0255096A1(公开日2011年10月20日)公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量系统，该测量系统亦采用一维或二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量；清华大学中国专利CN102937411A(公开日2013年02月20日)、清华大学中国专利CN102944176A(公开日2013年02月27日)公开了一种光刻机超精密工件台的双频光栅干涉仪位移测量系统，该测量系统是将传统的双频激光干涉仪的测量目标反射器(角锥)替换成光栅，实现双频激光光栅干涉测量，能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移，但由于双频激光共轴，是采用偏振分光镜分开为参考光和测量光的，存在偏振分光不完全引起的光学频率混叠、偏振态混叠以及相应的周期非线性误差问题。中国人民解放军国防科学技术大学中国专利CN102353327A(公开日2013年02月15日)公开了一种双频激光光栅干涉测量方法及测量系统，该方案利用偏振分光镜将双频激光分成参考光和测量光，参考光和测量光同时入射到运动的测量光栅上，经测量光栅衍射的参考光和测量光汇合形成光学拍频，由光电探测与信号处理获得运动光栅的位移，该系统仅能实现一维测量，同样存在偏振分光不完全引起的光学频率混叠、偏振态混叠以及相应的周期非线性误差问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，寻求一种抗光学混叠的双频激光光栅干涉测量方法及系统，该测量系统能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，且能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移。该测量系统用于超精密工件台位移测量，能够有效的降低激光干涉仪测量系统在超精密工件台应用中的不足，使光刻机超精密工件台性能提升。

本发明的目的是这样实现的：

抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法，激光器同时输出两束激光，其中第一束激光为第一个频率，第二束激光为第二个频率，所述第一束激光和第二束激光在空间上分开并平行入射到一个分光镜，第一束激光经分光镜反射形成参考光束入射到参考光栅，由参考光栅衍射形成多个级次的多束参考衍射光束，第二束激光经分光镜透射形成测量光束入射到测量光栅，由测量光栅衍射形成多个级次的多束测量衍射光束，所述参考衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束依次分别与测量衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束对应汇合形成光学拍频干涉，光学拍频信号经光电探测与信号处理得到测量光栅的三维相对运动信息。