CN105628007A - 一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，可以实现快速高精度空间复位对准和测量。六维高精度对准实际上是空间姿态定位，其难点在于同时同步测量六个自由度存在很大的困难。例如，目前荷兰ASML最新一代光刻机其专利所采用的是两块同型二维光栅进行（二维）对准用于对晶圆和投影镜头之间的复位，垂直于栅面的方向则通过激光干涉测量定位，这样就需要一个分步探测逐渐调整的过程，而且要求两种测量之间进行复杂的位置关系标定和协调运动。本发明则提供另一种对准***和方案，可以实现同时同步六维高精度对准及测量。

Description

一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***

技术领域

本发明属于精密仪器领域，具体为一种对准测量***，特别适合于需要空间姿态精密定位、对准的***。

背景技术

空间姿态精密快速定位、对准具有广泛的应用，如光刻机中掩膜板、投影镜头、晶圆之间的相对位置关系，精密机床的运动反馈控制等。但是，目前的测量手段还鲜有能够胜任这项要求的方案，已有的一些方法仍然处于逐渐完善的状况。究其难点在于，缺少一种方案或是感测方法能够对六个自由度均有足够灵敏反应的手段。例如，目前荷兰ASML最新一代光刻机其专利所采用的是两块同型二维光栅进行(二维)对准用于对晶圆和投影镜头之间的复位，垂直于栅面的方向则通过激光干涉测量定位，这样就需要一个分步探测逐渐调整的过程，而且要求两种测量之间进行复杂的位置关系标定和协调运动。不仅控制复杂，而且影响进度。已有的专利、文献、在售产品介绍的方法多有此共性问题，即：六个自由度均独立分次测量或是部分自由度耦合单次测量，然后对各个自由度探测结果进行分析以判断下一步动作，对准过程经常需要对以上过程进行多次循环重复以逐渐提高对准精度。问题是，各自由度独立测量结果缺少自由度间的耦合信息或耦合关系在分析中判断偏差过大，甚至会出现基于此判断的动作执行成为不利操作。

发明内容

本发明针对上述问题，创新性的提出了一种快速感测***，同时对六个自由度位置失配均有足够的敏感性，而且测量灵敏性可随波带片尺寸、靶面尺寸的增加而灵敏性增加。另外，进一步描述靶面探头阵列布置方案及其探测输出与姿态信息的对应关系数据库，可以实现六自由度的精密测量。

本发明的目的在于提出一种六维快速、高精度对准***，尤其适合于光刻机、精密机床等需要精密空间定位的***。本***与目前此类设备所采用的测量***相比，具有明显的技术优势，避免了已有方法中需要多维独立测量、人为耦合分析并解耦的弊端，是一种可以对六个自由度同时敏感的探测***。

为实现上述目的所采用的具体技术方案为：

一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，括二维波带片、准直后的激光光源、多个光电感应探头、靶面板、控制电路、支撑支架；光电感应探头固定在靶面板上，二维波带片位于准直后的激光光源与靶面板之间，激光光源、二维波带片、靶面板按照上述位置关系固定在支撑支架上，通过支撑支架将上述部件与待对准装置的相对位置固定配合，控制电路与光电感应探头、待对准装置的运动机构连接。

所述的多个光电感应探头沿着由靶面板的水平中线和竖直中线组成的十字线固定，当靶面板相对于二维波带片有面间不平行、面间距不与焦距相等、有旋转、平移偏量的情况，则上述光电感应探头出现相应的光强变化。

所述光电感应探头为光电二极管或CCD摄像头或COMS摄像头。

所述多个光电感应探头的布置方案包括以下情况：

1)光电感应探头的中心与靶面板上的水平中线、竖直中线重合；

2)光电感应探头的中心偏离靶面板的水平中线、竖直中线一定的距离，该距离经过精密标定测量，并作为探头的基本信息由控制电路使用。

所述光电感应探头为四象限二极管，四象限二极管探头的每个探头均设置相对旋转角度，不同的四象限二极管之间有转角差异，相对于由靶面板上水平中线和竖直中线组成的十字线的转角量由高精密手段标定测量，并作为探头的基本信息由控制电路使用。

还包括有光强调节装置，光强调节装置与光电感应探头的控制电路关联，以实现光强的快速亮暗扫描变化。

所述二维波带片是调幅型或调相型。

本发明与已有类似用途的发明相比较，具有以下优点：

已有的研究和实现，多采用六个自由度分别独立测量(或少数自由度通过一种手段同步探测)、再人为制定耦合分析方案，进而对检测目标分自由度运动控制，逐步实现对准。不仅过程复杂，不同自由度间耦合力度不同极易造成耦合分析偏差过大，进而导致对准偏差缩减较慢，甚至不收敛；而且，不同探测手段间相互协调、空间相对位置标定非常困难。本发明基于二维波带片提出了通过一种探测手段实现了六自由度同时灵敏探测的***。同时对六个自由度位置失配均有足够的敏感性，而且测量灵敏性可随波带片尺寸、靶面尺寸的增加而灵敏性增加。另外，进一步描述靶面探头阵列布置方案及其探测输出与姿态信息的对应关系数据库，可以实现六自由度的精密测量。避免了已有方法中需要多维独立测量、人为耦合分析并解耦的弊端，是一种可以对六个自由度同时敏感的探测***。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中探头的一种布置示意图；

图3是本发明中探头的另一种布置示意图；

其中，1为光源；2为准直透镜；3是二维波带片；4是波带片在准直光照射下形成的十字焦线，即由光源1发出的光，经过准直透镜2准直后垂直照射二维波带片3，这样将在波带片的焦距位置产生十字焦线，且十字焦线所在平面与波带片平面平行；5是探头阵列，6是假定十字焦线映射在目标靶面板上的位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括一个二维波带片3、准直后的激光光源(由光源1与准直透镜2实现，激光波长与波带片设计对应，激光出光端口与滤光片和准直透镜连接，从而得到准直光，准直光垂直照射二维波带片)及光强调节装置、至少4个光电感应探头构成的探头阵列5(可以是四象限二极管、光电二极管、CCD摄像头、COMS摄像头，能够灵敏的感受光的强弱变化即可)，特制靶面板，控制电路，支撑支架，光电感应探头固定在靶面板上，二维波带片位于准直后的激光光源与靶面板之间，激光光源、二维波带片、靶面板按照上述位置关系固定在支撑支架上，通过支撑支架将上述部件与待对准装置的相对位置固定配合，控制电路与光电感应探头、待对准装置的运动机构连接。

所述二维波带片可以是调幅型或调相型，外观可以是圆形或方形，以对称为好。其适用激光波长和其焦距根据待对准模块的位置关系设计。当采用准直后的激光(平行光)垂直照射波带片时，将在其焦距的位置出现最亮的十字交线(空间分布)。例如，波带片水平放置、准直平行光从上方向下照射，则在波带片下方焦距位置将出现水平十字交叉亮线(交叉线所属平面与波带片平行)。与镜头相比，镜头的焦点只有一个点其光最强，二维波带片的“焦点”则是该十字亮线，也可称作“十字焦线”。

将多个探头沿假定十字线以一定的方式布置于特制的靶面平板上(感光头经过精密校准后高精度共面，且其面可以用作光学屏，探头探测该屏特定位置的光强)。当该平板相对于波带片有任何面间不平行、面间距不与焦距相等、有旋转、平移偏量，则上述探头都会出现相应的光强变化。所述特制靶面板特制作为合作识别靶的部件，材质要求有足够的刚硬度不易变形、靶面加工平整，最好漫反射表面处理，减少反射杂光。

所述感光探头最好是四象限PSD探头，光电二极管、CCD、COMS等感光器件也可以替代。感光探头布置于特制靶面板，且探头探测面高度经过其他手段进行标定，高度共面多个探头的布置方案包括以下几种情况：1)探头中心严格与板上假定十字线重合(压线对中布置)，如图2所示；2)探头中心偏离板上假定十字线一定的距离，该距离使用其他手段精密标定测量，并作为该探头的基本信息由控制电路使用、3)不同四象限二极管的布置在前两种情况的基础上增加旋转偏量，即不同四象限二极管之间有一定的转角差异(以板面法线为轴的转角)，如图3所示；相对于假定十字线的转角量由高精密手段标定测量，并作为该探头的基本信息由控制电路使用。四象限二极管的好处是，其设计已经过优化，可以敏感的判断出四个象限位置的光强差异(本质上相当于四个探头对称组合)，且其差异已经作为编码电信号输出。进一步地，通过其他手段对按照以上布置方法得到的平板进行实测标定并作为比对数据库则可以进行精密测量，而且随着波带片和平板的尺寸越大则灵敏度越高。

光强调节装置的控制信号与探头控制电路关联，可以实现光强的快速亮暗扫描变化。由于波带片所形成的亮十字交线与其附近位置有明显的强弱差异(整个波带片集体衍射增强的结果)，通过亮暗变化可以方便的找到适合探头灵敏度的光强(另外，在亮暗变化过程中的光强与探头随时探测的结果间也有丰富的信息可以利用，如十字交线粗细随光强的变化而导致的探头光强差异)，而二极管探头的响应时间也是极快的，所以整体测量速度极快。为了进一步避免杂散光、自然光的影响，还可以进一步加光罩、在探头前加针对激光波长的虑光片等。

所述控制电路的功能包括建立比对数据库(即用其他手段实测得到的不同姿态所对应的探头阵列输出关系表)和及输出对准差向量，并将相关数据发送至待对准装置的运动机构进一步对准。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

Claims (7)

1.一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，其特征在于：包括二维波带片、准直后的激光光源、多个光电感应探头、靶面板、控制电路、支撑支架；光电感应探头固定在靶面板上，二维波带片位于准直后的激光光源与靶面板之间，激光光源、二维波带片、靶面板按照上述位置关系固定在支撑支架上，通过支撑支架将上述部件与待对准装置的相对位置固定配合，控制电路与光电感应探头、待对准装置的运动机构连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，其特征在于：所述的多个光电感应探头沿着由靶面板的水平中线和竖直中线组成的十字线固定，当靶面板相对于二维波带片有面间不平行、面间距不与焦距相等、有旋转、平移偏量的情况，则上述光电感应探头出现相应的光强变化。

3.根据权利要求2所述的一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，其特征在于：所述光电感应探头为光电二极管或CCD摄像头或COMS摄像头。

4.根据权利要求3所述的一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，其特征在于：所述多个光电感应探头的布置方案包括以下情况：

1)光电感应探头的中心与靶面板上的水平中线、竖直中线重合；

2)光电感应探头的中心偏离靶面板的水平中线、竖直中线一定的距离，该

距离经过精密标定测量，并作为探头的基本信息由控制电路使用。

5.根据权利要求2所述的一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，其特征在于：所述光电感应探头为四象限二极管，四象限二极管探头的每个探头均设置相对旋转角度，不同的四象限二极管之间有转角差异，相对于由靶面板上水平中线和竖直中线组成的十字线的转角量由高精密手段标定测量，并作为探头的基本信息由控制电路使用。

6.根据权利要求1所述的一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，其特征在于：还包括有光强调节装置，光强调节装置与光电感应探头的控制电路关联，以实现光强的快速亮暗扫描变化。

7.根据权利要求1所述的一种基于波带片的六维高精度快速对准、测量***，其特征在于：所述二维波带片是调幅型或调相型。