[发明专利]一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法

说明书

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，所述测量方法采用的测量系统包括读数头、测量光栅、电子信号处理部件。该二自由度测量方法为：读数头给出两束测量光以利特罗角入射至测量光栅，产生两束衍射光沿原路返回，读数头给出一个外差参考电信号和两个外差测量电信号输入至电子信号处理部件，经解算实现两个自由度的位移输出。该测量方法避免了偏振混叠，能实现纳米甚至更高分辨率及精度，且同时测量二自由度的大行程位移。应用该测量方法的测量系统具有对环境不敏感、结构紧凑、体积小、质量轻等优点，适用于光刻机超精密工件台、精密机床等需要多自由度精密位移测量的场合。

技术领域

本发明涉及一种光栅测量方法，特别涉及一种二自由度外差光栅干涉仪测量方法，属于位移测量技术领域。

背景技术

光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备。光栅测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于莫尔条纹原理的光栅测量系统作为一种发展成熟的位移传感器以其测距长、成本低、易于装调等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选，但精度通常在微米量级，常见于一般工业应用。

超精密位移测量技术在诸如三坐标测量机、超精密工件台、米级光栅制造设备等工业计量设备中具有重要应用。半导体制造装备中的光刻机是半导体芯片制作中的关键设备，随着半导体制造产业的发展，应用于光刻机的超精密工件台的运动控制显得尤为重要。超精密工件台以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密运动系统中最具代表性的一类系统。为实现上述运动，超精密工件台通常采用双频激光干涉仪测量系统测量超精密工件台多自由度位移。然而随着测量精度、测量距离、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪以环境敏感性、测量速度难以提高、占用空间、价格昂贵、测量目标工件台难以设计制造控制等一系列问题难以满足测量需求。

针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光栅测量系统，研究成果在诸多专利论文中均有揭露。荷兰ASML公司美国专利US7,102,729 B2(公开日2005年8月4日)、US7,483,120 B2(公开日2007年11月15日)、US7,,940,392 B2(公开日2009年12月24日)、公开号US2010/0321665 A1(公开日2010年12月23日)公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅测量系统及布置方案，该测量系统主要利用一维或二维的平面光栅配合读数头测量工件台水平大行程位移，高度方向位移测量采用电涡流或干涉仪等高度传感器，但多种传感器的应用限制工件台测量精度。美国ZYGO公司美国专利公开号US2011/0255096 A1(公开日2011年10月20日)公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量系统，该测量系统采用二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量，但大尺寸的二维光栅造价极其昂贵；日本CANON公司美国专利公开号US2011/0096334 A1(公开日2011年4月28日)公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现一维测量。日本学者GAOWEI在研究论文“Design and construction of a two‐degree‐of‐freedom linear encoder for nanometric measurement of stage position andstraightness.Precision Engineering 34(2010)145‐155”中提出了一种利用衍射干涉原理的单频二维光栅测量系统，该光栅测量系统可同时实现水平和垂直向的位移测量，但由于采用单频激光，测量信号易受干扰，精度难以保证。中国专利文献公开号CN103759657A(公开日2014年04月30日)及CN103759656A(公开日2014年04月30日)分别公开了一种外差光栅干涉仪测量系统，两种干涉仪测量系统中的读数头结构中使得其再对垂向进行测量时的行程非常小，不能对垂向运动进行较大行程的测量，应用范围受到了限制。