[发明专利]一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统

说明书

一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统，该系统包括分别调制外差激光模块、光栅干涉镜组、光电探测与信号处理单元；分别调制外差激光模块同时输出两束频率不同的激光平行入射到第一分光面分光，一部分入射后向反射器产生参考光束入射第三分光面，另一部分经过被测光栅‑后向反射器构成的二次衍射结构得到两束测量光束，并入射第二分光面分为两部分，其中一部分合光形成第一干涉光束，另一部分入射第三分光面与对应的参考光束合光形成第二和第三干涉光束，三束干涉光的光学拍频信号经过光电探测与信号处理解算出光栅的水平和垂直方向位移信息，该方法和系统在提高光学细分数的同时提高对光栅偏摆的角度容差。

技术领域

本发明涉及一种光栅测量方法及系统，特别涉及一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统。

背景技术

光刻机是集成电路制造领域中的核心装备，用于对晶圆进行对准曝光。其中，超精密工件台是光刻机的核心子系统之一，用于承载晶圆完成米秒级速度下的纳米—亚纳米级超精密步进扫描运动。而实际运动中，工件台会产生微弧度至毫弧度量级的偏摆和微米量级的垂向偏移。因此，为了实现超精密工件台的运动与定位，工件台测量系统需要具备高速、高分辨力、多自由度测量等特性。目前，外差激光干涉测量系统是常用的超精密工件台测量方案。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升，双频激光干涉仪以环境敏感性高、多自由度布局占用空间大等问题难以满足测量需求。

针对上述问题，国内外超精密测量领域的各公司及研究机构展开了一系列研究，其中的一个主要研究方向是基于衍射干涉原理的外差光栅测量系统，研究成果在诸多专利和论文中均有揭露。清华大学中国专利CN103307986A(公开日2013年9月18日)、CN105823422A(公开日2016年8月3日)分别公开了一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法，能够同时测量水平向大行程位移和垂向位移，但以上方案由于双频激光共轴，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。美国ZYGO公司美国专利US2013/114062A1(公开日2013年5月9日)公开了一种干涉型编码器系统的紧凑型测头方案，该方案利用整体光学镜组代替分立的角锥棱镜实现二次衍射的光学四细分结构，具有结构紧凑、光学四细分和高角度容差的特性，但该方案仅在光栅平面内进行测量，无法实现垂向测量；而且也存在双频激光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。中国科学院上海光学精密机械研究所中国专利CN105203031A(公开日2015年12月30日)公开了一种四倍光学细分的两轴外差光栅干涉仪，该系统利用双频激光器发出的激光，经分光后分别进入呈利特罗结构放置的两个安捷伦公司的N10715A干涉模块，实现光栅水平方向和竖直方向上的位移的光学四细分测量。然而，该系统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。

哈尔滨工业大学中国专利CN103604376A(公开日2014年2月26日)公开了一种抗光学混叠的双频激光光栅干涉三维测量方法及系统，利用分别调制的双频激光光源避免了上述偏振分光不完全造成的影响，且实现了三维测量。但该方法为光学二细分结构，分辨力较低，且对光栅偏摆的角度容差较低。清华大学中国专利CN106289068A(公开日2017年1月4日)公开了一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，该方法利用分别调制的双频激光光源和利特罗式光学结构实现了对光栅水平位移和垂向位移的测量，具有抗光学混叠、小型化的特点，但该方案中差分的利特罗式结构仅可以实现光栅水平位移的光学二细分。此外，该结构中激光光源与光学镜组距离较近，激光光源发热会造成一定的热漂移；且光束为空间传输，对安装和准直要求较高。上述研究表明，现有技术尚未兼顾抗光学混叠、高倍数光学细分和高角度容差的特性，仍需要进一步研究以更好的满足光刻机等应用环境中对测量系统日益提高的需求。

发明内容