一种二维光栅测量系统技术方案

本发明专利技术提出一种二维光栅测量系统，利用四个角锥镜，采用垂直入射和倾斜入射两种方式相结合，垂直入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，倾斜入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，根据这两路干涉信号获取被测光栅的二维位移信号。当在运动台上合理布局多个测量探头时，即可获取运动台高精度、高稳定性六自由度数据。本发明专利技术公布的光栅读头，具有体积小，结构简单，可进行二维测量等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种二维光栅测量系统
本专利技术涉及半导体集成电路制造领域，且特别涉及一种二维光栅测量系统。
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。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。专利CN102906545A公布了一种光栅尺测量系统，它实际上是采用干涉仪的结构，只是将被测对象由传统干涉仪被测反射镜替换成了被测光栅，通过偏振分光棱镜、角锥棱镜、波片等元器件构成的光栅尺读头，采用垂直入射的方式，利用+1级衍射光和参考光产生干涉，同时利用-1级衍射光和参考光产生干涉，根据这两路干涉信号可进行一维测量也可进行二维测量，但该结构由于采用了偏振分光棱镜进行分光和合光，导致体积相对比较大。专利US4970388公布了一种八倍光学细分的光栅读头，采用垂直入射的方式，利用+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，并通回射器使光束在光栅表面产生二次衍射，进而提高光学细分，不过该结构只能进行一维测量。专利US5120132的光栅读头结构和US4970388比较类似，进行了简化，也是利用+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，为四倍光学细分，它的不足之处也是只能进行一维测量。
技术实现思路
本专利技术提出一种二维光栅测量系统，具有体积小，结构简单，可进行二维测量等特点。为了达到上述目的，本专利技术提出一种二维光栅测量系统，包括：光源，用于发出测量光束；参考光栅，设置于所述光源发出的测量光束路径上，所述测量光束经过参考光栅衍射成零级光、+1级衍射光和-1级衍射光；被测光栅，与所述参考光栅平行设置，所述零级光垂直入射所述被测光栅并产生零级光衍射光束，所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅分别产生衍射光束；第一角锥棱镜和第二角锥棱镜，分别设置于所述零级光衍射光束路径上，其产生偏移光束后再次入射至被测光栅并产生零级光偏移衍射光；第一探测器，设置于所述零级光偏移衍射光路径上；第三角锥棱镜和第四角锥棱镜，分别设置于所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅产生的衍射光束路径上，其产生偏移光束后垂直入射至所述被测光栅后再次产生衍射，所述衍射光束入射至参考光栅产生衍射，分别形成+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光；第二探测器，设置于所述+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光路径上。进一步的，所述第一探测器上两束零级光偏移衍射光产生干涉，所述干涉信号包含被测光栅沿X向的位移信息，所述第二探测器上的+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光产生干涉，其干涉信号包含被测光栅沿X向和Z向的位移信息。进一步的，被测光栅X和Z向位移信息Δx和Δz计算公式如下：其中，N1表示为第一探测器读取的干涉条纹数，N2表示为第二探测器读取的干涉条纹数，d表示为被测光栅的栅距，θ表示为+1级衍射光和-1级衍射光的衍射角。进一步的，所述参考光栅和被测光栅具有相同的光栅结构，其具有相同的栅距和衍射角。进一步的，所述二维光栅测量系统还包括第三探测器，用于获取所述被测光栅在Y和Z方向的位移信息。进一步的，所述光源通过光纤连接于准直器，所述光源发出测量光束并通过光纤传输至准直器形成准直光束，所述准直光束入射至参考光栅。进一步的，所述第一探测器通过光纤连接于第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器将两束零级光偏移衍射光耦合进光纤并传输至第一探测器，所述第二探测器通过光纤连接于第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器将所述+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光耦合进光纤并传输至第二探测器。进一步的，所述第一探测器和第二探测器为光电探测器。本专利技术提出的二维光栅测量系统，利用四个角锥镜，采用垂直入射和倾斜入射两种方式相结合，垂直入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，倾斜入射的+1级衍射光和-1级衍射光进行干涉，根据这两路干涉信号获取被测光栅的二维位移信号。当在运动台上合理布局多个测量探头时，即可获取运动台高精度、高稳定性6自由度(X、Y、Z、Rx、Ry、Rz)数据。本专利公布的光栅读头，具有体积小，结构简单，可进行二维测量等特点。附图说明图1所示为本专利技术较佳实施例的二维光栅测量系统结构示意图。图2所示为本专利技术较佳实施例的二维光栅测量系统的六自由度测量方案原理图。图3所示为本专利技术较佳实施例的二维光栅测量系统的光纤远程传输原理图。图4所示为本专利技术较佳实施例的二维光栅测量系统的三维测量结构示意图。具体实施方式以下结合附图给出本专利技术的具体实施方式，但本专利技术不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。请参考图1，图1所示为本专利技术较佳实施例的二维光栅测量系统结构示意图。本专利技术提出一种二维光栅测量系统，包括：光源100，用于发出测量光束201；参考光栅110，设置于所述光源100发出的测量光束201路径上，所述测量光束201经过参考光栅110衍射成零级光202、+1级衍射光241和-1级衍射光221；被测光栅120，与所述参考光栅110平行设置，所述零级光202垂直入射所述被测光栅120并产生零级光衍射光束203和206，所述+1级衍射光241和-1级衍射光221入射被测光栅120分别产生衍射光束242和222；第一角锥棱镜130和第二角锥棱镜140，分别设置于所述零级光衍射光束203和206的路径上，其产生偏移光束204和207后再次入射至被测光栅120并产生零级光偏移衍射光205和208；第一探测器150，设置于所述零级光偏移衍射光205和208路径上；第三角锥棱镜170和第四角锥棱镜160，分别设置于所述+1级衍射光241和-1级衍射光221入射被测光栅120产生的衍射光束242和222的路径上，其产生偏移光束243和223后垂直入射至所述被测光栅120后再次产生衍射，所述衍射光束244和224入射至参考光栅110产生衍射，分别形成+1级偏移衍射光245和-1级偏移衍射光225；第二探测器180，设置于所述+1级偏移衍射光245和-1级偏移衍射光225路径上。根据本专利技术较佳实施例，光源100发出的测量光束201经过参考光栅110衍射成三束光，零级光为202，+1级衍射光为241，-1级衍射光为221，衍射角为θ。其中零级光202垂直入射至被测光栅120，再次产生衍射，被测光栅120和参考光栅110具有相同的光栅结构，因此衍射角也为θ，+1级衍射光即零级光衍射光束203进入第一角锥棱镜130，并产生一定偏移后变为光束204，以θ角再次入射至被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维光栅测量系统，其特征在于，包括：光源，用于发出测量光束；参考光栅，设置于所述光源发出的测量光束路径上，所述测量光束经过参考光栅衍射成零级光、+1级衍射光和‑1级衍射光；被测光栅，与所述参考光栅平行设置，所述零级光垂直入射所述被测光栅并产生零级光衍射光束，所述+1级衍射光和‑1级衍射光入射被测光栅分别产生衍射光束；第一角锥棱镜和第二角锥棱镜，分别设置于所述零级光衍射光束路径上，其产生偏移光束后再次入射至被测光栅并产生零级光偏移衍射光；第一探测器，设置于所述零级光偏移衍射光路径上；第三角锥棱镜和第四角锥棱镜，分别设置于所述+1级衍射光和‑1级衍射光入射被测光栅产生的衍射光束路径上，其产生偏移光束后垂直入射至所述被测光栅后再次产生衍射，所述衍射光束入射至参考光栅产生衍射，分别形成+1级偏移衍射光和‑1级偏移衍射光；第二探测器，设置于所述+1级偏移衍射光和‑1级偏移衍射光路径上。

【技术特征摘要】
1.一种二维光栅测量系统，其特征在于，包括：光源，用于发出测量光束；参考光栅，设置于所述光源发出的测量光束路径上，所述测量光束经过参考光栅衍射成零级光、+1级衍射光和-1级衍射光；被测光栅，与所述参考光栅平行设置，所述零级光垂直入射所述被测光栅并产生零级光衍射光束，所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅分别产生衍射光束；第一角锥棱镜和第二角锥棱镜，分别设置于所述零级光衍射光束路径上，其产生偏移光束后再次入射至被测光栅并产生零级光偏移衍射光；第一探测器，设置于所述零级光偏移衍射光路径上；第三角锥棱镜和第四角锥棱镜，分别设置于所述+1级衍射光和-1级衍射光入射被测光栅产生的衍射光束路径上，其产生偏移光束后垂直入射至所述被测光栅后再次产生衍射，所述衍射光束入射至参考光栅产生衍射，分别形成+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光；第二探测器，设置于所述+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光路径上。2.根据权利要求1所述的二维光栅测量系统，其特征在于，所述第一探测器上两束零级光偏移衍射光产生干涉，所述干涉信号包含被测光栅沿X向的位移信息，所述第二探测器上的+1级偏移衍射光和-1级偏移衍射光产生干涉，其干涉信号包含被测光栅沿X向和Z向的位移信息。3.根据权利要求2所述的二维光栅测量系统，其特征在于，被测光栅X和Z向位移信息Δx和Δz计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：张志平，吴萍，
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