[发明专利]基于光学倍程法的二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光学倍程法的二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，特别涉及一种用于光刻机工件台位移测量的二自由度外差光栅干涉仪测量系统。

背景技术

光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备。光栅测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于莫尔条纹原理的光栅测量系统作为一种发展成熟的位移传感器以其测距长、成本低、易于装调等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选，但精度通常在微米量级，常见于一般工业应用。

半导体制造装备中的光刻机是半导体芯片制作中的关键设备。超精密工件台是光刻机的核心子系统，用于承载掩模板和硅片完成高速超精密步进扫描运动。超精密工件台以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密运动系统中最具代表性的一类系统。为实现上述运动，超精密工件台通常采用双频激光干涉仪测量系统测量超精密工件台多自由度位移。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高，双频激光干涉仪以环境敏感性、测量速度难以提高、占用空间大、价格昂贵、测量目标工件台动态特性差等存在的一系列问题，从而难以满足更高的测量需求。

针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光栅测量系统，研究成果在诸多专利论文中均有揭露。

美国专利文献US7,102,729B2（公开日2005年8月4日）、US7,483,120B2（公开日2007年11月15日）、US7,,940,392B2（公开日2009年12月24日）、公开号US2010/0321665A1（公开日2010年12月23日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅测量系统及布置方案，该测量系统主要利用一维或二维的平面光栅配合读数头测量工件台水平大行程位移，垂直方向位移测量采用电涡流或干涉仪等传感器，但多种传感器的应用限制工件台测量精度。美国专利文献US7,864,336B2（公开日2011年1月4日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅干涉仪测量系统，该系统利用两个读数头的Littrow条件光栅反射实现位移测量，但需要的元器件多，体积大，并且由于通过两个读数头的结果进行解算，限制了测量精度。美国专利文献公开号US2011/0255096A1（公开日2011年10月20日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量系统，该测量系统亦采用一维或二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量，但结构复杂；美国专利文献公开号US2011/0096334A1（公开日2011年4月28日）公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现一维测量。日本学者GAOWEI在研究论文“Design and construction of a two-degree-of-freedom linear encoder for nanometric measurement of stage position and straightness.Precision Engineering34(2010)145-155”中提出了一种利用衍射干涉原理的单频二维光栅测量系统，该光栅测量系统可同时实现水平和垂直向的位移测量，但由于采用单频激光，测量信号易受干扰，精度难以保证。中国专利文献申请号201210449244.9（申请日2012年11月09日）及201210448734.7（申请日2012年11月09日）分别公开了一种外差光栅干涉仪测量系统，两种干涉仪测量系统中的读数头结构中均采用了四分之一波片用于改变光束的偏振态，光学结构复杂，同时光学元件的非理想性将导致测量误差。另外，中国专利文献公开号CN103307986A（公开日2013年09月18日）及CN103322927A（公开日2013年09月18日）分别公开了一种外差光栅干涉仪测量系统，两种干涉仪测量系统中的读数头结构中均采用了光学二细分的光路设计，导致分辨率低的不足。

发明内容