[發明專利]一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置

有效

• 申請號: 201510021662.1
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104567695B
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 譚久彬;陸振剛;魏培培
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種超精密位移測量技術及光柵位移測量系統，特別涉及一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置。

背景技術

近年來，超精密測量已成為世界測量領域的研究熱點。考慮到測量范圍、精度、系統尺寸和工作環境等因素的影響，用小體積多自由度的測量方法來實現高精度測量在現代位移測量中的需求也越來越突出。在半導體加工領域，光刻機中的掩膜臺和工件臺的定位精度和運動精度是限制半導體芯片加工線寬的主要因素，為了保證掩膜臺和工件臺的定位精度和運動精度，光刻機中通常采用具有高精度、大量程的雙頻激光干涉儀測量系統進行位移測量。目前市場上現有的半導體芯片的線寬已經逼近14nm，不斷提高的半導體加工要求對超精密位移測量技術提出了更大的挑戰，而雙頻激光干涉儀測量系統由于其長光程測量易受環境影響，且存在系統體積大、價格高昂等一系列問題，難以滿足新的測量需求。

針對上述問題，國內外超精密測量領域的各大公司及研究機構都投入了大量精力進行研究，其中一個主要研究方向包括研發基于衍射光柵的新型位移測量系統?；谘苌涔鈻诺奈灰茰y量系統經過數十年的發展，已有較多的研究成果，在諸多專利和論文中均有揭露。

德國HEIDENHAIN公司的專利US4776701A(公開日1988年10月11日)提出了利用光束通過折射光柵和反射光柵后實現相干疊加與光學移相的方式來測量X方向位移的方法。該方法利用光柵本身的結構參數調整實現了干涉信號移相，同時測量結果不受Y方向和Z方向位移的影響。由于該方法不需額外的移相元件，因此系統體積較小，但是該方法只能用于X方向的位移測量。

荷蘭ASML公司的專利US7362446B2(公開日2008年4月22日)提出了一種利用光柵衍射編碼器和干涉儀原理測量標尺光柵在X方向和Z方向位移的位置測量單元，利用3個該位置測量單元能夠同時測量平臺的6個自由度；通過特殊的棱鏡結構設計，使得該位置測量單元除了標尺光柵以外的其他分光、移相、合光等光學元件組合成一個整體，達到減輕單元尺寸和質量，結構緊湊的目的；該位置測量單元測量標尺光柵X向位移所使用光柵衍射編碼器的測量光來自標尺光柵的衍射光，測量標尺光柵Z向位移所使用干涉儀的測量光也來自標尺光柵的衍射光，但來源于不同光束的衍射，是分立的。該方法可同時實現X向和Z向的位移測量，但干涉儀和光柵衍射測量的位置不同，棱鏡組結構較復雜。

日本學者Wei Gao與清華大學學者曾理江等人聯合發表的論文“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光柵干涉原理的二維光柵測量裝置。激光器出射的激光經過偏振分光棱鏡分為測量光和參考光，二者分別入射到標尺光柵和參考光柵并發生反向衍射，反向衍射光在偏振分光棱鏡處匯聚后入射到光電探測單元發生干涉，利用后續光路移相，可以在四組探測器表面接收到干涉信號。通過對干涉信號進行處理，可以解耦出光柵讀數頭相對于標尺光柵在X向和Z向兩個方向的位移信息。該方法為了實現對信號的移相，引入了很多的移相合光器件，體積較大；而且當讀數頭與光柵產生的Z向運動時，干涉區域的范圍變小，不利于Z向較大量程的測量。

清華大學學者朱煜的專利CN102937411A(公開日2013年2月20日)和CN102944176A(公開日2013年2月27日)中，提出了利用衍射光柵干涉原理設計的二維光柵測量系統，并引入了雙頻激光產生了拍頻信號，增強了測量信號的抗干擾能力。該組專利當讀數頭相對于標尺光柵發生Z向運動時，干涉區域范圍變小，不利于Z向較大量程的測量。

日本株式會社三豐的專利CN102865817A(公開日2013年1月9日)以及US8604413B2(公開日2013年12月10日)提出了一種二維位移傳感器的構造，該構造能夠實現多維位移測量，但是整個系統采用透射方式，并且使用了棱鏡等光學器件用于折光，因此系統體積較大。