回射式光栅尺测量系统及其应用技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
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1C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，W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Inm)，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W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Wlittrow巧Ij特罗）角度0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角运其中，A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。
技术实现思路
本专利技术提供一种，W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，本专利技术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W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W入射角a入射至所述光栅上，并W目 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a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，所述探测器还包括禪合器和探测光纤，从所述测量单元输出的带有位移 信息的信号光由所述禪合器禪合至所述探测光纤，并通过所述探测光纤传输至所述探测器 进行探测。 本专利技术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WZ方向 为对称轴对称设置。 本专利技术还提供了一种六自由度测量系统，采用二维光栅和H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，本专利技术具有W下优点： 1.相对于干涉仪，本专利技术具有更高的精度和稳定性，能够实现皮米精度测量； 2.本专利技术中，从测量单元出射的光束W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为本专利技术的回射式光栅尺测量系统的结构示意图； 图2为本专利技术实施例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为本专利技术实施例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为本专利技术实施例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为本专利技术的二维测量系统的结构示意图； 图6为本专利技术的六自由度测量系统的结构示意图； 图7为本专利技术实施例2的回射式光栅尺测量系统的结构示意图； 图8为本专利技术实施例3的回射式光栅尺测量系统的结构示意图。【具体实施方式】 为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对本专利技术 的【具体实施方式】做详细的说明。需说明的是，本专利技术附图均采用简化的形式且均使用非精 准的比例，仅用W方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。 请参考图1，本专利技术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W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，本专利技术 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W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。 实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴萍，张志平，
申请(专利权)人：上海微电子装备有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31