[发明专利]回射式光栅尺测量系统及其应用

说明书

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。