回射式光柵尺測量系統(tǒng)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種回射式光柵尺測量系統(tǒng)及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 納米測量技術(shù)是納米加工、納米操控、納米材料等領(lǐng)域的基礎(chǔ)。而1C產(chǎn)業(yè)、精密機 械、微機電系統(tǒng)等都需要高分辨率、高精度的位移傳感器，W達到納米精度定位。
[0003] 隨著集成電路朝大規(guī)模、高集成度的方向飛躍發(fā)展，光刻機的套刻精度要求也越 來越高，與之相應(yīng)地，獲取工件臺、掩模臺的六自由度位置信息的精度也隨之提高。
[0004] 干涉儀有較高的測量精度，可達納米量級，在光刻系統(tǒng)中，被運用于測量工件臺、 掩模臺的位置。然而，目前干涉儀的測量精度幾乎達到極限，同時干涉儀測量精度受周圍環(huán) 境影響較大，測量重復(fù)精度不高（即便環(huán)境很好，也會超過Inm)，傳統(tǒng)干涉儀測量系統(tǒng)很難 滿足進一步提高套刻精度的要求。所W高精度、高穩(wěn)定性的皮米測量方案迫切需要。
[0005] 光柵尺測量系統(tǒng)在工作中受環(huán)境影響較小，有較好的重復(fù)精度，在新一代光刻系 統(tǒng)中已開始逐漸取代干涉儀，承擔(dān)高精度、高穩(wěn)定性皮米精度測量任務(wù)。
[0006] 例如，一種方式是Wlittrow巧Ij特羅）角度0入射光柵的測量系統(tǒng)，可同時獲得 水平方向和垂直方向的二維位置數(shù)據(jù)，所述的littrow角運
其中，A為入射 光源的波長；k為光柵間距。當(dāng)在運動臺上合理布局多個測量探頭時，即可獲取運動臺六自 由度（X、Y、Z、Rx、Ry、Rz)數(shù)據(jù)。
[0007] 另一種方式，也是利用光柵尺實現(xiàn)測量，它采用非littrow角入射光柵，角錐棱鏡 返回衍射光束后獲取水平方向和垂直方向的二維位置數(shù)據(jù)。但采用角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)，會限 制光柵尺垂直方向（Z)的測量范圍，使垂直方向的測量范圍限制在幾個毫米之內(nèi)，該方案無 法滿足大垂向測量范圍的應(yīng)用需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種回射式光柵尺測量系統(tǒng)及其應(yīng)用，W解決現(xiàn)有的光柵尺測量系統(tǒng) 無法滿足大垂向測量范圍的應(yīng)用需求的問題。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種回射式光柵尺測量系統(tǒng)，包括光柵尺測量 探頭和光柵，其中，所述光柵尺測量探頭包括光源、信號輸出單元、測量單元和回射單元，所 述光源發(fā)出的光束入射至所述測量單元，從所述測量單元出射后W非利特羅角度入射至所 述光柵上，經(jīng)光柵衍射后的光束入射至所述回射單元，經(jīng)所述回射單元回射的光束沿入射 光方向原路返回所述光柵上，在光柵上發(fā)生第二次衍射后原路返回至所述測量單元，經(jīng)所 述測量單元作用后，入射至所述信號輸出單元，從所述信號輸出單元輸出測量信號。
[0010] 較佳地，所述回射單元為反射鏡、反射光柵、或者透射光柵與反射鏡的組合。
[0011] 較佳地，所述光源為激光光源。
[0012] 較佳地，所述激光光源為單頻激光光源或雙頻激光光源。
[0013] 較佳地，所述光源還包括傳輸光纖和準(zhǔn)直器，所述激光光源發(fā)出的激光束通過所 述傳輸光纖遠(yuǎn)程連接至所述準(zhǔn)直器，光束經(jīng)所述準(zhǔn)直器處理入射至所述測量單元。
[0014] 較佳地，所述測量單元包括偏振分光棱鏡、第一四分之一波片、第二反射鏡、角錐 棱鏡和第二四分之一波片，所述光源發(fā)出的光束入射至所述偏振分光棱鏡，在所述偏振分 光棱鏡的分光面進行分光，一部分光束經(jīng)所述第一四分之一波片后入射至所述第二反射 鏡，被所述第二反射鏡反射，并再次經(jīng)過所述第一四分之一波片后從所述偏振分光棱鏡的 分光面透射至所述角錐棱鏡，經(jīng)所述角錐棱鏡的反射后再次通過所述分光面透射，并依次 入射至所述第一四分之一波片和第二反射鏡，被第二反射鏡反射的光束再次經(jīng)過四分之一 波片后在分光面發(fā)生反射，進入所述信號輸出單元，作為參考光束；另一部分光束從所述偏 振分光棱鏡的分光面透射，經(jīng)第二四分之一波片后W入射角a入射至所述光柵上，并W目 角發(fā)生衍射，衍射光束入射至所述回射單元，經(jīng)所述回射單元的回射按原路返回至所述光 柵，并沿a角返回測量單元，再次經(jīng)過所述第二四分之一波片后經(jīng)所述分光面進行反射， 經(jīng)所述角錐棱鏡再次反射，在所述分光面反射后再次入射至光柵，經(jīng)所述回射單元后原路 返回至所述測量單元，最終從所述分光面透射，入射至所述信號輸出單元，作為測量光束。
[0015] 較佳地，所述信號輸出單元根據(jù)所述測量光束與所述參考光束得到干涉條紋數(shù)， 并計算出光柵相對于所述光柵尺測量探頭的位移信息。
[0016] 較佳地，所述信號輸出單元為探測器。
[0017] 較佳地，所述探測器采用單一探測器或四象限探測器。
[0018] 較佳地，所述探測器還包括禪合器和探測光纖，從所述測量單元輸出的帶有位移 信息的信號光由所述禪合器禪合至所述探測光纖，并通過所述探測光纖傳輸至所述探測器 進行探測。
[0019] 本發(fā)明還提供了一種二維測量系統(tǒng)，采用光柵和兩個上述的光柵尺測量探頭組 成，所述光柵沿X方向設(shè)置，所述兩個光柵尺測量探頭設(shè)置于所述光柵的同側(cè)，并WZ方向 為對稱軸對稱設(shè)置。
[0020] 本發(fā)明還提供了一種六自由度測量系統(tǒng)，采用二維光柵和H個上述的光柵尺測量 探頭組成，所述二維光柵沿X方向和Y方向設(shè)置，其中兩個光柵尺測量探頭沿Y方向設(shè)置于 X方向的正向或負(fù)向，另外一個光柵尺測量探頭設(shè)置于X方向的負(fù)向或正向。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)點：
[0022] 1.相對于干涉儀，本發(fā)明具有更高的精度和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)皮米精度測量；
[0023] 2.本發(fā)明中，從測量單元出射的光束W非利特羅角度入射至光柵上，可較方便地 實現(xiàn)水平方向和垂直反向的二維位置測量，并且不會限制垂直方向的測量范圍；
[0024] 3.當(dāng)在運動臺上合理布局多個光柵尺測量探頭時，即可獲取運動臺高精度、高穩(wěn) 定性的六自由度（X、Y、Z、Rx、Ry、Rz)數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的回射式光柵尺測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明實施例1的回射式光柵尺測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及光路示意圖（光源為雙 頻激光光源，探測器為單一探測器）；
[0027] 圖3為本發(fā)明實施例1的回射式光柵尺測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及光路示意圖（光源為單 頻激光光源，探測器為四象限探測器）；
[0028] 圖4為本發(fā)明實施例1的回射式光柵尺測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及光路示意圖（采用光纖 遠(yuǎn)程傳輸）；
[0029] 圖5為本發(fā)明的二維測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖6為本發(fā)明的六自由度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖7為本發(fā)明實施例2的回射式光柵尺測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖8為本發(fā)明實施例3的回射式光柵尺測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加清晰易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的【具體實施方式】做詳細(xì)的說明。需說明的是，本發(fā)明附圖均采用簡化的形式且均使用非精 準(zhǔn)的比例，僅用W方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0034] 請參考圖1，本發(fā)明提供的回射式光柵尺測量系統(tǒng)，包括：光柵尺測量探頭100和 光柵200,其中，所述光柵尺測量探頭100包括光源110、信號輸出單元120、測量單元130 和回射單元140,所述光源110發(fā)出的光束入射至所述測量單元130,從所述測量單元130 出射后W非利特羅角度入射至所述光柵200上，經(jīng)光柵200衍射后的光束入射至所述回射 單元140,經(jīng)所述回射單元140回射的光束沿入射光方向原路返回所述光柵200上，在光柵 200上發(fā)生第二次衍射后原路返回至所述測量單元130,經(jīng)所述測量單元130作用后，入射 至所述信號輸出單元120,從所述信號輸出單元120輸出測量信號。相對于干涉儀，本發(fā)明 提供的回射式光柵尺測量系統(tǒng)具有更高的精度和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)皮米精度測量；從測量 單元130出射的光束W非利特羅角度入射至光柵200上，可較方便地實現(xiàn)水平方向和垂直 反向的二維位置測量，并且不會限制垂直方向的測量范圍，從而滿足大垂向測量范圍的應(yīng) 用需求。
[0035] 實施例1
[0036] 較佳地，請重點參考圖2,所述回射單元140為反射鏡141 ;