CN107588728B - 用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***，在扫描干涉场曝光***的正面及背面分别引入长行程、高精度衍射光栅位移测量***，所述光栅位移测量***均包括：双频激光器、光阑、读数头，所述双频激光器、光阑、读数头分别固定在激光器固定板的正反面相同位置，所述激光器固定板固定在大理石平台的底端，所述光阑通过控制***自动控制双频激光器的出射光是否进入读数头，所述读数头集成了光学元件和接收器。本发明是一种解决测量行程增大导致激光干涉仪受环境影响更为敏感而造成测量精度下降的测量***和方法，降低环境控制成本，提高光栅衍射波前质量。
Description
技术领域
本发明涉及大尺寸光栅制造领域，尤其涉及用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***及方法。
背景技术
扫描干涉场曝光技术是制作大尺寸、高衍射波前质量光栅的主要途径之一。其既具有机械刻划技术容易实现光栅衍射波前控制的优点，又具备全息曝光技术低杂光、无鬼线和制作效率高的优点，以干涉条纹作为“刀具”，使用与机械刻划技术一致的扫描-步进的曝光方式，进行大面积光栅制作。由于参与曝光的干涉场尺寸小，更容易控制光栅衍射波前，同时结合全息曝光技术，每次扫描曝光都有上千条干涉条纹，与机械刻划技术比较，光栅制作的效率得以显著提高。由于扫描干涉场曝光技术是以曝光光斑静止，工作台承载着光栅基底通过扫描-步进的曝光方式实现光栅掩膜制作，相邻扫描周期之间的干涉条纹在相位上实现精确拼接至关重要，这就需要精密的工作台位置测量***。工作台位置测量***用于定位承载光栅基底的工作台位置，实际上是为了获取已曝光区域的相位，工作台位置测量精度直接决定光栅衍射波前的制作精度，是决定光栅制作成败的最为关键的因素之一，必须实现在纳米级的重复性。
在现有技术中，在制作大尺寸光栅时，前期由于工作台沿步进方向的位移较小，双频激光干涉仪与测量镜之间距离较短，外界环境对激光波长的影响较小，双频激光干涉仪的测量精度和重复性都较容易保证。但是，随着运动台在步进方向位移的增大，双频激光干涉仪与测量镜之间的距离就会增加，外界环境对双频激光干涉仪的扰动就会增大，造成双频激光干涉仪测量精度以及测量重复性下降，累计误差便会增加，如果此时环境控制达不到要求，所制造的光栅衍射波前质量随着步进距离的增大而变差，导致环境控制成本及技术、光栅衍射波前质量等均面临难题。
衍射光栅位移测量***采用高刻线密度衍射光栅，配合高倍数电子细分，在分辨率和精度上也能够达到扫描干涉场曝光***运动台步进方向位移测量所需精度。在位移测量过程中，读数头和测量光栅之间的距离始终保持不变，光路对称而且光程短，这样外界环境对波长的影响就会很小，而且衍射光栅位移测量***是以光栅栅距为测量基准，这就更加放宽了对环境的要求。但是，衍射光栅位移测量***量程受到测量光栅长度的制约，对于制作米级尺寸光栅的扫描干涉场曝光***，现有的衍射光栅位移测量***不能够直接应用到扫描干涉场曝光***步进方向位移测量中。
因此，如何提供一种解决测量行程增大导致激光干涉仪受环境影响更为敏感而造成测量精度下降的测量方法，降低环境控制成本，提高光栅衍射波前质量是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***。
本发明的目的之二是提供一种用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量方法。
为了实现上述目的之一，本发明提供的技术方案为提供一种用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***，包括：，在扫描干涉场曝光***的正面及背面分别引入长行程、高精度衍射光栅位移测量***，所述光栅位移测量***均包括：双频激光器、光阑、读数头，所述双频激光器、光阑、读数头分别固定在激光器固定板的正反面相同位置，所述激光器固定板固定在固定平台的底端，所述光阑通过控制***自动控制双频激光器的出射光是否进入读数头，所述读数头集成了光学元件和接收器。
还包括工作台，所述工作台设于所述光栅位移测量***下方，所述工作台上固定两条测量光栅，所述测量光栅是由多块栅沿光栅矢量方向排列并固定在高精度光栅固定导轨上。
在所述扫描干涉场曝光***正面引入的光栅位移测量***的出射测量光束较之于所述扫描干涉曝光***的曝光光束位置更加靠前，以使所述读数头出射的测量光束可以入射到所述测量光栅上；同样，在所述扫描干涉场曝光***背面引入的光栅位移测量***的出射测量光束较之于所述扫描干涉曝光***的曝光光束位置更加靠后，以使所述读数头出射的测量光束可以入射到所述测量光栅上。
为了实现上述目的之二，本发明的技术方案为：提一种用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量方法，包括如下步骤：
步骤1：在曝光开始阶段，工作台靠近所述前端光学***出来的曝光光束的最左端，此时由于所述激光器固定板正面和背面的所述读数头下方并没有测量光栅，所以***依靠所述激光器固定板正面的所述双频激光干涉仪配合所述测量镜对所述工作台进行步进方向的位移测量以及对扫描方向偏摆测量；
步骤2：所述工作台继续做扫描运动及做步进运动，并且所述工作台沿完成扫描运动并开始做步进运动时，所述激光器固定板正面和背面的所述读数头下方正好对着所述测量光栅，这时控制***会打开对应所述测量光栅读数头的光阑，所述激光器固定板正面或背面的所述双频激光器的出射光会进入对应的所述读数头，经过所述读数头内部的光学元件，形成两组测量光束，每一组测量光束都可以精确地对所述工作台的步进位移进行测量；
步骤3：当所述工作台完成步进运动开始做扫描运动时，控制***便关闭之前打开的所述光阑，使所述激光器固定板正面或背面的所述读数头停止工作，待扫描运动结束时再开启其中一个所述光阑，如此循环往复，使所述双频激光干涉仪和所述精密光栅位移测量***相互配合完成测量。
由于所述测量光栅是由多块光栅排列而成，所以其中两块光栅的接缝处得不到位移信号，通过两组测量光束交替测量，使得在整个量程中至少有一组测量光束是工作的，实现了长行程的位移测量。
与现有技术相比，由于在本发明用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***及方法中，衍射光栅位移测量***采用高刻线密度衍射光栅，配合高倍数电子细分，在分辨率和精度上也能够达到扫描干涉场曝光***运动台步进方向位移测量所需精度。在位移测量过程中，读数头和测量光栅之间的距离始终保持不变，光路对称而且光程短，这样外界环境对波长的影响就会很小，而且衍射光栅位移测量***是以光栅栅距为测量基准，这就更加放宽了对环境的要求。但是，衍射光栅位移测量***量程受到测量光栅长度的制约，对于制作米级尺寸光栅的扫描干涉场曝光***，现有的衍射光栅位移测量***不能够直接应用到扫描干涉场曝光***步进方向位移测量中，而本发明能够提供一种解决测量行程增大导致激光干涉仪受环境影响更为敏感而造成测量精度下降的测量***及方法，降低环境控制成本，提高光栅衍射波前质量。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为扫描干涉场曝光***结构一个角度的示意图。
图2为扫描干涉场曝光***结构的另一个角度的示意图。
图3为扫描干涉场曝光***工作台结构示意图。
图4为本发明用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***的一个角度的视图。
图5为如图4所示的用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***的第二个角度的视图。
图6为如图4所示的用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***的第三个角度的视图。
图7为如图4所示的用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***的工作台示意图。
图8为本发明用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量方法的步骤1的示意图。
图9为本发明用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量方法的步骤2的示意图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。在本发明说明书附图中，为了方便区分方向，说明书附图1～9均标出了三维坐标。如上所述，如图1、图2和图3所示，扫描干涉场曝光***主要包括：固定平台1、光学***2、前端光学***3、前端光学***固定板4、待曝光光栅基底5、工作台6、双频激光干涉仪7、测量镜8。双频激光干涉仪7配合测量镜8一方面对工作台6沿步进方向(X方向)进行测量和定位，另一方面还要测量工作台6沿扫描方向(Y方向)运动时的偏摆角。在制作大尺寸光栅时，前期由于工作台6沿步进方向(X方向)的位移较小，双频激光干涉仪7与测量镜8之间距离较短，外界环境对激光波长的影响较小，双频激光干涉仪7的测量精度和重复性都较容易保证。
在本发明的一个实施例中，固定平台1为大理石平台。
如图4所示，在扫描干涉场曝光***的正面引入长行程、高精度衍射光栅位移测量***，包括：双频激光器10、光阑11、读数头12；如图5所示，在扫描干涉场曝光***的背面同样引入长行程、高精度衍射光栅位移测量***，包括：双频激光器13、光阑14、读数头15。所述双频激光器10和双频激光器13固定在激光器固定板9的正反面相同位置，所述激光器固定板9固定在大理石平台1的底端。所述光阑11、读数头12、光阑14、读数头15固定在前端光学***固定板4的正反两面上。所述光阑11和光阑14通过控制***(未画出)可以自动控制双频激光器10和双频激光器13的出射光是否进入读数头12和读数头15。所述读数头12和读数头15内集成了光学元件(未画出)和接收器(未画出)。
如图7所示在工作台6上固定两条测量光栅16。所述测量光栅16是由多块栅沿光栅矢量方向排列并固定在高精度光栅固定导轨(未画出)上。如图6所示，在扫描干涉场曝光***正面引入的光栅位移测量***的出射测量光束较之于扫描干涉曝光***的曝光光束位置更加靠前，保证读数头12出射的测量光束可以入射到测量光栅16上。同样，在扫描干涉场曝光***背面引入的光栅位移测量***的出射测量光束较之于扫描干涉曝光***的曝光光束位置更加靠后，保证读数头15出射的测量光束可以入射到测量光栅16上。
本发明还提一种用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量方法，包括如下步骤：
步骤1：在曝光开始阶段，工作台6和曝光光束之间的相对位置如图8所示，此时由于读数头12和读数头15下方并没有测量光栅，所以***依靠双频激光干涉仪7配合测量镜8对工作台6进行步进方向(X方向)的位移测量以及对扫描方向(Y方向)偏摆测量。
步骤2：工作台6继续在沿Y轴做扫描运动，沿X轴做步进运动。当步进到如图9所示的位置，并且工作台6沿Y轴完成扫描运动并开始做步进运动时，读数头12或者读数头15下方正好对着测量光栅16，这时控制***(未画出)会打开对应测量光栅读数头的光阑，双频激光器10或者双频激光器13的出射光会进入读数头12或者读数头15，经过读数头内部的光学元件，形成两组测量光束，每一组测量光束都可以精确地对工作台6的步进位移进行测量。由于测量光栅是由多块光栅排列而成，所以其中两块光栅的接缝处得不到位移信号，通过两组测量光束交替测量，保证了在整个量程中至少有一组测量光束是工作的，这就实现了长行程的位移测量。光栅位移测量***测得的步进位移和双频激光干涉仪7测得的位移进行处理，配合其他***完成闭环控制。
步骤3：当工作台6沿X轴方向完成步进运动开始沿Y轴方向做扫描运动时，控制***(未画出)便关闭之前打开的光阑，使读数头12或读数头15停止工作。待扫描运动结束时再开启其中一个光阑。
如此循环往复，使双频激光干涉仪7和长行程、高精度衍射光栅位移测量***相互配合，结合两个***的优点，使测量数据相互补偿，保证了在工作台步进距离过长时的步进精度，提升了***性能。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种用于扫描干涉场曝光***的精密光栅位移测量***，其特征在于，在扫描干涉场曝光***的正面及背面分别引入长行程、高精度衍射的光栅位移测量***；
所述精密光栅位移测量***包括：两个双频激光器、两个光阑、两个读数头，所述双频激光器分别固定在激光器固定板的正反面的相同位置处，所述激光器固定板固定在所述扫描干涉场曝光***的大理石平台的底端；
其中一个所述光阑和一个所述读数头固定在所述扫描干涉场曝光***的前端光学***固定板的正面，另一个所述光阑和另一个所述读数头对应固定在所述前端光学***固定板的反面；
所述扫描干涉场曝光***的工作台上设置有两条测量光栅；
在进行光栅位移测量时，所述工作台沿Y轴做扫描运动，沿X轴做步进运动，当所述工作台沿Y轴完成扫描运动并开始做步进运动时，至少一个读数头下方对准测量光栅；
通过控制***打开对应读数头的光阑，与该读数头对应面的双频激光器的出射光会进入该读数头，形成两束测量光束，以通过所述测量光束对工作台的步进位移进行测量。
2.如权利要求1所述的精密光栅位移测量***，其特征在于，所述工作台设于所述光栅位移测量***下方，所述测量光栅是由多块栅沿光栅矢量方向排列并固定在高精度光栅固定导轨上。
3.如权利要求2所述的精密光栅位移测量***，其特征在于，在所述扫描干涉场曝光***正面引入的光栅位移测量***的出射测量光束较之于所述扫描干涉曝光***的曝光光束位置更加靠前，以使所述读数头出射的测量光束可以入射到所述测量光栅上；同样，在所述扫描干涉场曝光***背面引入的光栅位移测量***的出射测量光束较之于所述扫描干涉曝光***的曝光光束位置更加靠后，以使所述读数头出射的测量光束可以入射到所述测量光栅上。
4.一种通过如权利要求3所述的精密光栅位移测量***进行精密光栅位移测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在曝光开始阶段，工作台靠近所述前端光学***出来的曝光光束的最左端，此时由于所述激光器固定板正面和背面的所述读数头下方并没有测量光栅，所以***依靠所述激光器固定板正面的双频激光干涉仪配合测量镜对所述工作台进行步进方向的位移测量以及对扫描方向偏摆测量；
步骤2：所述工作台继续做扫描运动及做步进运动，并且所述工作台沿完成扫描运动并开始做步进运动时，所述激光器固定板正面和背面的所述读数头下方正好对着所述测量光栅，这时控制***会打开对应所述测量光栅读数头的光阑，所述激光器固定板正面或背面的所述双频激光器的出射光会进入对应的所述读数头，经过所述读数头内部的光学元件，形成两组测量光束，每一组测量光束都可以精确地对所述工作台的步进位移进行测量；
步骤3：当所述工作台完成步进运动开始做扫描运动时，控制***便关闭之前打开的所述光阑，使所述激光器固定板正面或背面的所述读数头停止工作，待扫描运动结束时再开启其中一个所述光阑，如此循环往复，使所述双频激光干涉仪和所述精密光栅位移测量***相互配合完成测量。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，由于所述测量光栅是由多块光栅排列而成，所以其中两块光栅的接缝处得不到位移信号，通过两组测量光束交替测量，使得在整个量程中至少有一组测量光束是工作的，实现了长行程的位移测量。
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