[发明专利]光栅测量装置

说明书

本发明公开了一种光栅测量装置，包括：光源模块，用于产生频率不同的两束光束，两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；光栅以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，双频入光模块接收测量光束和参考光束，垂向测量模块将测量光束投射到光栅上，收集经光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将零级衍射光投射至垂向探测模块，零级衍射光束与参考光束在垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；信号处理模块接收垂向干涉信号和参考干涉信号后计算光栅的垂向位移。本发明可以在任意工作距离下，实现大范围垂向位移测量。

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种光栅测量装置。

背景技术

纳米测量技术是纳米加工、纳米操控、纳米材料等领域的基础。IC产业、精密机械、微机电系统等都需要高分辨率、高精度的位移传感器，以达到纳米精度定位。随着集成电路朝大规模、高集成度的方向飞跃发展，光刻机的套刻精度要求也越来越高，与之相应地，获取工件台、掩模台的六自由度位置信息的精度也随之提高。

干涉仪有较高的测量精度，可达纳米量级，在光刻系统中，被运用于测量工件台、掩模台的位置。然而，目前干涉仪的测量精度几乎达到极限，同时干涉仪测量精度受周围环境影响较大，测量重复精度不高，即便环境很好，误差也会超过1nm，因此，传统干涉仪测量系统很难满足进一步提高套刻精度的要求，所以高精度、高稳定性的皮米测量方案迫切需要。

光栅测量系统在工作中受环境影响较小，有较好的重复精度，在新一代光刻系统中已开始逐渐取代干涉仪，承担高精度、高稳定性皮米精度测量任务。公开号为US7389595的美国专利提出了一种基于光纤传输的二维光栅测量系统，光源和探测信号光均采用光纤传输。该专利方案中，光源为半导体激光器，采用零差探测方式测量光栅与读头之间的位移。然而零差探测的方式抗干扰能力较弱，位置数据容易受到外界杂散光、电磁场及振动干扰的影响。申请号为CN201210449244的中国专利提出了一种双频外差光栅测量系统，该系统可以有效提高测量精度。但其只有探测信号通过光纤传输，激光光源与光栅读头放在一起，体积大，不适用于空间紧凑的使用场景；另外，当光栅相对于读头之间有Rx、Ry角度偏转时，测量系统干涉性能会降低，导致测量系统失效，该发明中光栅与读头的装调难度太大，安装使用不方便。

公开号为US8300233B2的美国专利提出了一种光栅尺测量系统，它采用光束垂直入射光栅，角锥棱镜返回衍射光束后获取水平方向和垂直方向的二维位置数据。由于采用角锥棱镜的结构，当光栅和探头之间有垂向运动时，接收器处的参考光斑和测量光斑会发生偏离，当参考光斑和测量光斑完全偏离时，就无法形成有效干涉。因此垂向的测量范围受限于光斑尺寸大小，该发明中光栅和探头之间的垂向测量范围很小。

发明内容

本发明提供一种光栅测量装置，以在任意工作距离下，实现大范围垂向位移测量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅测量装置，包括：

光源模块，用于产生频率不同的两束光束，所述两束光束中的一束作为测量光束，另一束作为参考光束；

光栅；

以及光栅测量探头，包括双频入光模块、垂向测量模块、垂向探测模块及参考探测模块，其中，所述双频入光模块用于接收所述测量光束和参考光束，将所述测量光束投射至所述垂向测量模块和参考探测模块，将所述参考光束投射至所述垂向探测模块及参考探测模块，所述垂向测量模块将所述测量光束投射到所述光栅上，收集经所述光栅二次衍射后衍射光的零级衍射光，并将所述零级衍射光投射至所述垂向探测模块，所述零级衍射光束与所述参考光束在所述垂向探测模块中发生干涉形成垂向干涉信号，所述参考探测模块中的所述测量光束和参考光束发生干涉形成参考干涉信号；所述装置还包括信号处理模块，接收所述垂向干涉信号和参考干涉信号后计算所述光栅的垂向位移。