[發明專利]一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量方法

有效

• 申請號: 201610587101.2
• 申請日: 2016-07-22
• 公開（公告）號: CN106289068B
• 公開（公告）日: 2018-10-30
• 發明（設計）人: 張鳴;朱煜;倪暢;成榮;楊開明;葉偉楠;王磊杰;丁思奇;崔健章
• 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;G01B9/02
• 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

一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量方法，所述測量方法采用的測量系統包括讀數頭、測量光柵、電子信號處理部件。該二自由度測量方法為：讀數頭給出兩束測量光以利特羅角入射至測量光柵，產生兩束衍射光沿原路返回，讀數頭給出一個外差參考電信號和兩個外差測量電信號輸入至電子信號處理部件，經解算實現兩個自由度的位移輸出。該測量方法避免了偏振混疊，能實現納米甚至更高分辨率及精度，且同時測量二自由度的大行程位移。應用該測量方法的測量系統具有對環境不敏感、結構緊湊、體積小、質量輕等優點，適用于光刻機超精密工件臺、精密機床等需要多自由度精密位移測量的場合。

技術領域

本發明涉及一種光柵測量方法，特別涉及一種二自由度外差光柵干涉儀測量方法，屬于位移測量技術領域。

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。

超精密位移測量技術在諸如三坐標測量機、超精密工件臺、米級光柵制造設備等工業計量設備中具有重要應用。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，隨著半導體制造產業的發展，應用于光刻機的超精密工件臺的運動控制顯得尤為重要。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US7,102,729 B2(公開日2005年8月4日)、US7,483,120 B2(公開日2007年11月15日)、US7,,940,392 B2(公開日2009年12月24日)、公開號US2010/0321665 A1(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US2011/0255096 A1(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，該測量系統采用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，但大尺寸的二維光柵造價極其昂貴；日本CANON公司美國專利公開號US2011/0096334 A1(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 andstraightness.Precision Engineering 34(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。中國專利文獻公開號CN103759657A(公開日2014年04月30日)及CN103759656A(公開日2014年04月30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使得其再對垂向進行測量時的行程非常小，不能對垂向運動進行較大行程的測量，應用范圍受到了限制。