[發(fā)明專利]一種使用雙頻激光的三維光柵位移測量系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310674590.1
• 申請日: 2013-12-12
• 公開（公告）號: CN103644848A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 林杰;關(guān)健;金鵬;譚久彬
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務(wù)所(普通合伙) 23209
• 代理人: 張偉

技術(shù)領(lǐng)域

一種使用雙頻激光的三維光柵位移測量系統(tǒng)涉及一種光柵位移測量系統(tǒng)，特別涉及一種使用雙頻激光的三維光柵位移測量系統(tǒng)。?

背景技術(shù)

光柵位移測量技術(shù)最早起源于19世紀(jì)，從20世紀(jì)50年代開始得到了迅速的發(fā)展。目前，光柵位移測量系統(tǒng)已經(jīng)成為了一種典型的位移傳感器，并被廣泛應(yīng)用于眾多機電設(shè)備。光柵位移測量系統(tǒng)因具有分辨力高、精度高、成本低、環(huán)境敏感性低等眾多優(yōu)點，不僅在工業(yè)和科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且被眾多國內(nèi)外學(xué)者研究。?

光刻機是生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的核心設(shè)備。超精密工件臺是光刻機的核心子系統(tǒng)，用于承載基片并完成裝片、曝光、換臺、卸片過程中的高速超精密運動。超精密工件臺具有高速度、高加速度、多自由度、大行程、超精密等特點。雙頻激光干涉儀因為同時具有高精度、大量程的優(yōu)點，被廣泛用于超精密工件臺的位移測量。然而，近年來半導(dǎo)體芯片制造的工藝水平不斷提升：2010年，半導(dǎo)體芯片的加工已經(jīng)采用了32nm線寬工藝；在2011年底，22nm線寬的CPU芯片也已上市銷售。不斷提高的半導(dǎo)體芯片加工水平對超精密工件臺位移測量的分辨力、精度等指標(biāo)都提出了更高的要求，雙頻激光干涉儀因其存在環(huán)境敏感性差、占用空間大、多自由度測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴等問題難以滿足新的測量需求。?

為了解決上述問題，國內(nèi)外超精密測量領(lǐng)域的有關(guān)公司及眾多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究，研究成果在諸多專利和論文中均有揭露。荷蘭ASML公司的專利US7,483,120B2（公開日2007年11月15日）公開了一種應(yīng)用于光刻機超精密工件臺的平面光柵測量系統(tǒng)及布置方案，該測量系統(tǒng)主要利用二維平面光柵與讀數(shù)頭測量工件臺的水平大行程位移，工件臺豎直方向的位移可以通過單獨布置的高度傳感器進(jìn)行測量，但是使用多種傳感器會使超精密工件臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜并會限制位移的測量精度。日本學(xué)者Gao?Wei在發(fā)表的論文“A?sub-nanometric?three-axis?surface?encoder?with?short-period?planar?gratings?for?stage?motion?measurement.Precision?Engineering36(2012)576-585.”中提出了一種基于衍射干涉原理的三維光柵位移測量系統(tǒng)，可以同時測量x、y、z三個方向的直線位移，但是該系統(tǒng)在測量z方向的直線位移時會導(dǎo)致測量光與參考光的干涉區(qū)域變小，因此系統(tǒng)?的z方向直線位移的量程受限于光束直徑的大小，無法實現(xiàn)z方向大行程直線位移的測量。清華大學(xué)朱煜等人的專利CN102937411A（公開日2013年2月20日）中公開了一種雙頻光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，可以同時測量水平和豎直兩個方向的直線位移，而且使用了雙頻激光作為光源以提高信號的抗干擾能力，但是該系統(tǒng)的豎直方向直線位移的量程同樣受限于光束直徑的大小，仍然無法實現(xiàn)豎直方向大行程直線位移的測量，而且該系統(tǒng)使用一維二維反射式測量光柵僅能測量兩個方向的直線位移。臺灣大學(xué)Fan?Kuang-Chao等人在發(fā)表的論文“Displacement?Measurement?of?Planar?Stage?by?Diffraction?Planar?Encoder?in?Nanometer?Resolution.I2MTC(2012)894-897.”中研制了一種納米量級分辨力的二維平面光柵位移測量裝置，可以測量兩個水平方向的直線位移，但是無法測量豎直方向的直線位移，也不能滿足超精密工件臺豎直方向的位移測量要求。?

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種使用雙頻激光的三維光柵位移測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)不僅能夠同時測量沿x軸、y軸、z軸三個方向的直線位移，而且提高了測量信號的抗干擾能力，同時相比已有技術(shù)該系統(tǒng)的z向位移量程得到了極大的擴展。?

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：?

一種使用雙頻激光的三維光柵位移測量系統(tǒng)，包括出射端接光纖的雙頻激光器、分光部件、偏振分光棱鏡、測量臂四分之一波片、測量臂折光元件、參考臂四分之一波片、參考臂折光元件、二維反射式參考光柵、光電探測及信號處理部件和二維反射式測量光柵；?