[发明专利]一种基于衍射光栅的三维位移测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超精密位移测量技术及光栅位移测量系统，特别涉及一种基于衍射光栅的三维位移测量装置。

背景技术

近年来，超精密测量已成为世界测量领域的研究热点。考虑到测量范围、精度、系统尺寸和工作环境等因素的影响，用小体积多自由度的测量方法来实现高精度测量在现代位移测量中的需求也越来越突出。在半导体加工领域，光刻机中的掩膜台和工件台的定位精度和运动精度是限制半导体芯片加工线宽的主要因素，为了保证掩膜台和工件台的定位精度和运动精度，光刻机中通常采用具有高精度、大量程的双频激光干涉仪测量系统进行位移测量。目前市场上现有的半导体芯片的线宽已经逼近14nm，不断提高的半导体加工要求对超精密位移测量技术提出了更大的挑战，而双频激光干涉仪测量系统由于其长光程测量易受环境影响，且存在系统体积大、价格高昂等一系列问题，难以满足新的测量需求。

针对上述问题，国内外超精密测量领域的各大公司及研究机构都投入了大量精力进行研究，其中一个主要研究方向包括研发基于衍射光栅的新型位移测量系统。基于衍射光栅的位移测量系统经过数十年的发展，已有较多的研究成果，在诸多专利和论文中均有揭露。

德国HEIDENHAIN公司的专利US4776701A(公开日1988年10月11日)提出了利用光束通过折射光栅和反射光栅后实现相干叠加与光学移相的方式来测量X方向位移的方法。该方法利用光栅本身的结构参数调整实现了干涉信号移相，同时测量结果不受Y方向和Z方向位移的影响。由于该方法不需额外的移相元件，因此系统体积较小，但是该方法只能用于X方向的位移测量。

荷兰ASML公司的专利US7362446B2(公开日2008年4月22日)提出了一种利用光栅衍射编码器和干涉仪原理测量标尺光栅在X方向和Z方向位移的位置测量单元，利用3个该位置测量单元能够同时测量平台的6个自由度；通过特殊的棱镜结构设计，使得该位置测量单元除了标尺光栅以外的其他分光、移相、合光等光学元件组合成一个整体，达到减轻单元尺寸和质量，结构紧凑的目的；该位置测量单元测量标尺光栅X向位移所使用光栅衍射编码器的测量光来自标尺光栅的衍射光，测量标尺光栅Z向位移所使用干涉仪的测量光也来自标尺光栅的衍射光，但来源于不同光束的衍射，是分立的。该方法可同时实现X向和Z向的位移测量，但干涉仪和光栅衍射测量的位置不同，棱镜组结构较复杂。

日本学者Wei Gao与清华大学学者曾理江等人联合发表的论文“Design and construction of a two-degree-of-freedom linear encoder for nanometric measurement of stage position and straightness.Precision Engineering34(2010)145-155”中提出了一种利用衍射光栅干涉原理的二维光栅测量装置。激光器出射的激光经过偏振分光棱镜分为测量光和参考光，二者分别入射到标尺光栅和参考光栅并发生反向衍射，反向衍射光在偏振分光棱镜处汇聚后入射到光电探测单元发生干涉，利用后续光路移相，可以在四组探测器表面接收到干涉信号。通过对干涉信号进行处理，可以解耦出光栅读数头相对于标尺光栅在X向和Z向两个方向的位移信息。该方法为了实现对信号的移相，引入了很多的移相合光器件，体积较大；而且当读数头与光栅产生的Z向运动时，干涉区域的范围变小，不利于Z向较大量程的测量。

清华大学学者朱煜的专利CN102937411A(公开日2013年2月20日)和CN102944176A(公开日2013年2月27日)中，提出了利用衍射光栅干涉原理设计的二维光栅测量系统，并引入了双频激光产生了拍频信号，增强了测量信号的抗干扰能力。该组专利当读数头相对于标尺光栅发生Z向运动时，干涉区域范围变小，不利于Z向较大量程的测量。

日本株式会社三丰的专利CN102865817A(公开日2013年1月9日)以及US8604413B2(公开日2013年12月10日)提出了一种二维位移传感器的构造，该构造能够实现多维位移测量，但是整个系统采用透射方式，并且使用了棱镜等光学器件用于折光，因此系统体积较大。