光栅测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光栅测量装置，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束，两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；光栅以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，双频入光模块接收测量光束和参考光束，垂向测量模块将测量光束投射到光栅上，收集经光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将零级衍射光投射至垂向探测模块，零级衍射光束与参考光束在垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；信号处理模块接收垂向干涉信号和参考干涉信号后计算光栅的垂向位移。本发明专利技术可以在任意工作距离下，实现大范围垂向位移测量。

Grating measuring device

The invention discloses a grating measuring device includes a light source module for generating different frequency of the two beams, two beams in the beam as the measuring beam and the other beam as a reference beam; grating and grating measuring probe, including dual frequency into the optical module, vertical measurement module, vertical detection module and reference the detection module, dual band optical module into the measuring beam and the reference beam receiver, vertical measurement module will measure the beam projected grating, zero order diffraction light collection by the two grating diffraction light, and the zero order diffraction light projected onto the vertical detection module, the zero order diffracted beam and the reference beam in vertical direction in the collision detection module to form a vertical interference signal, reference detection module in the measuring beam and the reference beam interference form reference interference signal; signal processing module receives the vertical The vertical displacement of the grating is calculated after the interference signal and the reference interference signal. The invention can measure the vertical displacement in a large range at any working distance.

【技术实现步骤摘要】
光栅测量装置
本专利技术涉及集成电路制造领域，特别涉及一种光栅测量装置。
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，误差也会超过1nm，因此，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。公开号为US7389595的美国专利提出了一种基于光纤传输的二维光栅测量系统，光源和探测信号光均采用光纤传输。该专利方案中，光源为半导体激光器，采用零差探测方式测量光栅与读头之间的位移。然而零差探测的方式抗干扰能力较弱，位置数据容易受到外界杂散光、电磁场及振动干扰的影响。申请号为CN201210449244的中国专利提出了一种双频外差光栅测量系统，该系统可以有效提高测量精度。但其只有探测信号通过光纤传输，激光光源与光栅读头放在一起，体积大，不适用于空间紧凑的使用场景；另外，当光栅相对于读头之间有Rx、Ry角度偏转时，测量系统干涉性能会降低，导致测量系统失效，该专利技术中光栅与读头的装调难度太大，安装使用不方便。公开号为US8300233B2的美国专利提出了一种光栅尺测量系统，它采用光束垂直入射光栅，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。由于采用角锥棱镜的结构，当光栅和探头之间有垂向运动时，接收器处的参考光斑和测量光斑会发生偏离，当参考光斑和测量光斑完全偏离时，就无法形成有效干涉。因此垂向的测量范围受限于光斑尺寸大小，该专利技术中光栅和探头之间的垂向测量范围很小。
技术实现思路
本专利技术提供一种光栅测量装置，以在任意工作距离下，实现大范围垂向位移测量。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种光栅测量装置，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束，所述两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；光栅；以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，其中，所述双频入光模块用于接收所述测量光束和参考光束，将所述测量光束投射至所述垂向测量模块和参考探测模块，将所述参考光束投射至所述垂向探测模块及参考探测模块，所述垂向测量模块将所述测量光束投射到所述光栅上，收集经所述光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将所述零级衍射光投射至所述垂向探测模块，所述零级衍射光束与所述参考光束在所述垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，所述参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；所述装置还包括信号处理模块，接收所述垂向干涉信号和参考干涉信号后计算所述光栅的垂向位移。作为优选，所述光源模块包括：激光器、隔离器、分光器、频移器、第一耦合器和第二耦合器；所述激光器发出的光束经隔离器后，由所述分光器分光为两束进入所述频移器产生频率不同的所述两束光束，所述两束光束分别经第一、第二耦合器耦合后传送至所述光栅测量探头。作为优选，所述激光器所发射的激光具有400～1500nm之间的任意波长。作为优选，所述频移器为塞曼分频器、双折射元件或两个声光频移器。作为优选，所述光栅为一维光栅或者二维光栅。作为优选，所述垂向测量模块包括：偏振分光棱镜、角锥棱镜和偏振控制器，所述测量分束先经偏振分光棱镜透射，由所述偏振控制器旋转偏振方向，投射到所述光栅上发生衍射，衍射光中的零级衍射光再次经所述偏振控制器旋转偏振方向，偏振光束在经过所述偏振分光棱镜时发生反射，并经过角锥棱镜返回偏振分光棱镜，再次入射到所述光栅上发生二次衍射，二次衍射光中的零级衍射光经所述偏振分光棱镜最终投射到所述垂向探测模块。作为优选，所述偏转控制器采用法拉第旋转器或者二分之一波片。作为优选，所述双频入光模块包括：第一分束镜及第二分束镜，所述垂向探测模块包括垂向测量耦合器，其中，所述测量光束经所述第一分束镜分成两测量分束，一测量分束经所述垂向测量模块投射到所述光栅，另一测量分束投射到所述参考探测模块，所述参考光束经所述第二分束镜分成两参考分束，一参考分束经所述垂向测量模块出射后与一经所述垂向测量出射的测量分束被所述垂向测量耦合器耦合，另一参考分束投射到所述参考探测模块。作为优选，所述双频入光模块包括：第一分束镜和第二分束镜，所述垂向探测模块包括垂向测量耦合器和第三分束镜，所述测量光束经所述第一分束镜分成两测量分束，一测量分束经所述垂向测量模块投射到所述光栅，另一测量分束投射到所述参考探测模块，所述参考光束经所述第二分束镜分成两参考分束，一参考分束通过所述第三分束器与经所述垂向测量模块出射的测量分束合束后被所述垂向测量耦合器耦合，另一参考分束投射到所述参考探测模块。作为优选，还包括多个用于实现光束转向和传播的反射镜组件。作为优选，所述双频入光模块包括：第一准直器、第二准直器和楔角片对，其中，所述测量光束由所述第一准直器和楔角片对进行准直和角度控制，所述参考光束由所述第二准直器准直。作为优选，所述光源模块与所述光栅测量探头之间通过保偏光纤连接。作为优选，所述测量光束的偏振方向与所述参考光束的偏振方向存在第一夹角，相应地所述偏振分光棱镜的放置方向旋转第一夹角，经所述偏振控制器后出射的光束的偏振方向也旋转第一夹角。作为优选，所述第一夹角为45度。作为优选，入射至所述光栅表面的光束的偏振方向与所述光栅的栅格方向存在第二夹角。作为优选，所述第二夹角为45+k*90度，其中k为自然数。作为优选，所述垂向探测模块通过多模光纤连接所述信号处理模块。作为优选，所述参考探测模块通过多模光纤连接所述信号处理模块。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术可实现全光纤传输，具有抗干扰能力强、测量精度高、重复测量精度高、无非线性误差影响、结构简单和安装使用便捷的特点，极其适用于高稳定性要求的皮米精度多维测量领域。2、本专利技术的光栅测量装置中的水平测量模块可以控制两束光束实现水平向位移测量，水平向探测模块可以探测水平向位移信号和参考光信号，实现水平方向(X/Y)二维探测，可以使X方向的测量和Y方向的测量点相同，有效减小了因被测点不同带来的测量误差；也大大减小了光栅所需的通光面尺寸，降低光栅成本。此外本专利技术也可以使光栅测量探头的尺寸更加紧凑，压缩安装空间。3、本专利技术直接利用光栅的零级反射光进行测量，垂向测量距离不会受到光斑尺寸的限制，可以实现任意距离的垂向测量。4、本专利技术还可以有效的将水平方向(X/Y)和垂向(Z)测量方案融合，实现多轴测量。而且垂向(Z)测量时使用的是水平方向(X/Y)测量时并不会使用的零级反射光来实现，提高了光栅尺测量系统的能量利用率。在不增加入射光束功率的情况下，增加了测量轴数。5、本专利技术可以制造出集成度非常高的三轴或多轴读数头本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光栅测量装置，其特征在于，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束，所述两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；光栅；以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，其中，所述双频入光模块用于接收所述测量光束和参考光束，将所述测量光束投射至所述垂向测量模块和参考探测模块，将所述参考光束投射至所述垂向探测模块及参考探测模块，所述垂向测量模块将所述测量光束投射到所述光栅上，收集经所述光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将所述零级衍射光投射至所述垂向探测模块，所述零级衍射光束与所述参考光束在所述垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，所述参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；所述装置还包括信号处理模块，接收所述垂向干涉信号和参考干涉信号后计算所述光栅的垂向位移。

【技术特征摘要】
1.一种光栅测量装置，其特征在于，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束，所述两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；光栅；以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，其中，所述双频入光模块用于接收所述测量光束和参考光束，将所述测量光束投射至所述垂向测量模块和参考探测模块，将所述参考光束投射至所述垂向探测模块及参考探测模块，所述垂向测量模块将所述测量光束投射到所述光栅上，收集经所述光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将所述零级衍射光投射至所述垂向探测模块，所述零级衍射光束与所述参考光束在所述垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，所述参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；所述装置还包括信号处理模块，接收所述垂向干涉信号和参考干涉信号后计算所述光栅的垂向位移。2.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述光源模块包括：激光器、隔离器、分光器、频移器、第一耦合器和第二耦合器；所述激光器发出的光束经隔离器后，由所述分光器分光为两束进入所述频移器产生频率不同的所述两束光束，所述两束光束分别经第一、第二耦合器耦合后传送至所述光栅测量探头。3.如权利要求2所述的光栅测量装置，其特征在于，所述激光器所发射的激光具有400～1500nm之间的任意波长。4.如权利要求2所述的光栅测量装置，其特征在于，所述频移器为塞曼分频器、双折射元件或两个声光频移器。5.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述光栅为一维光栅或者二维光栅。6.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述垂向测量模块包括：偏振分光棱镜、角锥棱镜和偏振控制器，所述测量光束先经偏振分光棱镜透射，由所述偏振控制器旋转偏振方向，投射到所述光栅上发生衍射，衍射光中的零级衍射光再次经所述偏振控制器旋转偏振方向，偏振光束在经过所述偏振分光棱镜时发生反射，并经过角锥棱镜返回偏振分光棱镜，再次入射到所述光栅上发生二次衍射，二次衍射光中的零级衍射光经所述偏振分光棱镜最终投射到所述垂向探测模块。7.如权利要求6所述的光栅测量装置，其特征在于，所述偏转控制器采用法拉第旋转器或者二分之一波片。8.如权利要求1所述的光栅测量装置，其特征在于，所述双频入光模块包括：第一分束...

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