[發明專利]一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統

有效

• 申請號: 201410031251.6
• 申請日: 2014-01-23
• 公開（公告）號: CN103759656B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 張鳴;朱煜;王磊杰;吳亞風;劉召;楊開明;成榮;徐登峰;穆海華;胡金春;尹文生;胡楚雄;祁利山
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京華卓精科科技股份有限公司
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明涉及一種實現光學四細分的光柵測量系統，特別涉及一種二自由度外差光柵干涉儀測量系統。

背景技術

光柵測量系統作為一種典型的位移傳感器廣泛應用于眾多機電設備。光柵測量系統的測量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理。基于莫爾條紋原理的光柵測量系統作為一種發展成熟的位移傳感器以其測距長、成本低、易于裝調等眾多優點成為眾多機電設備位移測量的首選，但精度通常在微米量級，常見于一般工業應用。

半導體制造裝備中的光刻機是半導體芯片制作中的關鍵設備。超精密工件臺是光刻機的核心子系統，用于承載掩模板和硅片完成高速超精密步進掃描運動。超精密工件臺以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等運動特點成為超精密運動系統中最具代表性的一類系統。為實現上述運動，超精密工件臺通常采用雙頻激光干涉儀測量系統測量超精密工件臺多自由度位移。然而隨著測量精度、測量距離、測量速度等運動指標的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環境敏感性、測量速度難以提高、占用空間、價格昂貴、測量目標工件臺難以設計制造控制等一系列問題難以滿足測量需求。

針對上述問題，世界上超精密測量領域的各大公司及研究機構展開了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光柵測量系統，研究成果在諸多專利論文中均有揭露。荷蘭ASML公司美國專利US7,102,729B2（公開日2005年8月4日）、US7,483,120B2（公開日2007年11月15日）、US7,,940,392B2（公開日2009年12月24日）、公開號US2010/0321665A1（公開日2010年12月23日）公開了一種應用于光刻機超精密工件臺的平面光柵測量系統及布置方案，該測量系統主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數頭測量工件臺水平大行程位移，高度方向位移測量采用電渦流或干涉儀等高度傳感器，但多種傳感器的應用限制工件臺測量精度。美國ZYGO公司美國專利公開號US2011/0255096A1（公開日2011年10月20日）公開了一種應用于光刻機超精密工件臺的光柵測量系統，該測量系統亦采用一維或二維光柵配合特定的讀數頭實現位移測量，可同時進行水平向和垂向位移測量，但結構復雜；日本CANON公司美國專利公開號US2011/0096334A1（公開日2011年4月28日）公開了一種外差干涉儀，該干涉儀中采用光柵作為目標鏡，但該干涉儀僅能實現一維測量。日本學者GAOWEI在研究論文“Design?and?construction?of?a?two-degree-of-freedom?linear?encoder?for?nanometric?measurement?of?stage?position?and?straightness.Precision?Engineering34(2010)145-155”中提出了一種利用衍射干涉原理的單頻二維光柵測量系統，該光柵測量系統可同時實現水平和垂直向的位移測量，但由于采用單頻激光，測量信號易受干擾，精度難以保證。另外，中國專利文獻公開號CN103307986A（公開日2013年09月18日）及CN103322927A（公開日2013年09月18日）分別公開了一種外差光柵干涉儀測量系統，兩種干涉儀測量系統中的讀數頭結構中均采用了光學二細分的光路設計，導致分辨率低，且參考信號也需要光柵，增加了成本。

考慮到上述技術方案的局限，尋求一種利用光學拍頻原理，并能實現光學四細分的外差光柵干涉儀測量系統；該系統能夠利用二次衍射原理實現光學四細分結構,提高分辨率，實現亞納米甚至更高分辨率及精度；能利用棱鏡組的配合替代了傳統光柵測量中的參考光柵，降低了成本；該測量系統能夠實現二個線性自由度位移的同時測量，具有對環境不敏感的優點；同時該光柵干涉儀測量系統還要具有結構簡潔、體積小、質量輕、易于安裝、方便應用等優點。采用該測量系統作為超精密工件臺位移測量裝置，能夠有效的降低激光干涉儀測量系統在超精密工件臺應用中的不足，使光刻機超精密工件臺性能提升。該二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統還可應用于精密機床、三坐標測量機、半導體檢測設備等的工件臺多自由度位移的精密測量。

發明內容

本發明的目的是提供一種二自由度外差光柵干涉儀測量系統，該系統采用光學四細分結構，以進一步提高分辨率與精度，并使該測量系統能夠實現二個線性自由度位移的同時測量；同時利用棱鏡組的配合替代傳統光柵測量中的參考光柵，使其具有測量光路短、環境敏感性低、測量信號易于處理、結構簡潔、體積小、質量輕、易于安裝、方便應用及成本低等優點。

本發明的技術方案如下：