本發(fā)明涉及一種光柵測量方法及測量系統(tǒng)，尤其涉及一種雙頻激光光柵干涉三維測量方法及測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
半導(dǎo)體制造裝備中的光刻機是半導(dǎo)體芯片制作中的關(guān)鍵設(shè)備。超精密工件臺是光刻機的核心子系統(tǒng)，用于承載掩模板和硅片完成高速超精密步進掃描運動。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(tǒng)中最具代表性的一類系統(tǒng)。為實現(xiàn)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(tǒng)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(biāo)的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環(huán)境敏感性、測量速度難以提高、占用空間、價格昂貴、測量目標(biāo)工件臺難以設(shè)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(lǐng)域的各大公司及研究機構(gòu)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(tǒng)，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US7,102,729B2(公開日2005年8月4日)、US7,483,120B2(公開日2007年11月15日)、US7,940,392B2(公開日2009年12月24日)、US2010/0321665A1(公開日2010年12月23日)公開了一種應(yīng)用于光刻機超精密工件臺的平面光柵測量系統(tǒng)及布置方案，該測量系統(tǒng)主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數(shù)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(yīng)用限制工件臺測量精度。美國ZYGO公司美國專利公開號US2011/0255096A1(公開日2011年10月20日)公開了一種應(yīng)用于光刻機超精密工件臺的光柵測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)亦采用一維或二維光柵配合特定的讀數(shù)頭實現(xiàn)位移測量，可同時進行水平向和垂向位移測量；清華大學(xué)中國專利CN102937411A(公開日2013年02月20日)、清華大學(xué)中國專利CN102944176A(公開日2013年02月27日)公開了一種光刻機超精密工件臺的雙頻光柵干涉儀位移測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的雙頻激光干涉儀的測量目標(biāo)反射器(角錐)替換成光柵，實現(xiàn)雙頻激光光柵干涉測量，能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移，但由于雙頻激光共軸，是采用偏振分光鏡分開為參考光和測量光的，存在偏振分光不完全引起的光學(xué)頻率混疊、偏振態(tài)混疊以及相應(yīng)的周期非線性誤差問題。中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國專利CN102353327A(公開日2013年02月15日)公開了一種雙頻激光光柵干涉測量方法及測量系統(tǒng)，該方案利用偏振分光鏡將雙頻激光分成參考光和測量光，參考光和測量光同時入射到運動的測量光柵上，經(jīng)測量光柵衍射的參考光和測量光匯合形成光學(xué)拍頻，由光電探測與信號處理獲得運動光柵的位移，該系統(tǒng)僅能實現(xiàn)一維測量，同樣存在偏振分光不完全引起的光學(xué)頻率混疊、偏振態(tài)混疊以及相應(yīng)的周期非線性誤差問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，尋求一種抗光學(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉測量方法及系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時測量水平向大行程位移和垂向位移。該測量系統(tǒng)用于超精密工件臺位移測量，能夠有效的降低激光干涉儀測量系統(tǒng)在超精密工件臺應(yīng)用中的不足，使光刻機超精密工件臺性能提升。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：抗光學(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量方法，激光器同時輸出兩束激光，其中第一束激光為第一個頻率，第二束激光為第二個頻率，所述第一束激光和第二束激光在空間上分開并平行入射到一個分光鏡，第一束激光經(jīng)分光鏡反射形成參考光束入射到參考光柵，由參考光柵衍射形成多個級次的多束參考衍射光束，第二束激光經(jīng)分光鏡透射形成測量光束入射到測量光柵，由測量光柵衍射形成多個級次的多束測量衍射光束，所述參考衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束依次分別與測量衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束對應(yīng)匯合形成光學(xué)拍頻干涉，光學(xué)拍頻信號經(jīng)光電探測與信號處理得到測量光柵的三維相對運動信息。抗光學(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量系統(tǒng)，包括可輸出兩束不同頻率激光束的激光器和偏振分光鏡，其中一束激光束經(jīng)第一單模保偏光纖傳輸至偏振分光鏡的入射端形成第一入射激光束，另一束激光束經(jīng)第二單模保偏光纖傳輸至偏振分光鏡的入射端形成第二入射激光束，調(diào)整第一入射激光束的偏振態(tài)，使第一入射激光束在偏振分光鏡的分光膜面反射形成參考臂光束，在所述參考臂光束光路上依次配置參考臂四分之一波片、參考臂折光元件和參考光柵，參考臂光束經(jīng)過參考臂四分之一波片和參考臂折光元件射向參考光柵，參考臂光束經(jīng)參考光柵衍射反射形成(0，0)級光束和高級次光束A、B、C、D，所述(0，0)級光束和高級次光束A、B、C、D經(jīng)參考臂折光元件后其光束方向調(diào)整為與參考臂光束平行并反向，(0，0)級光束和高級次光束A、B、C、D再經(jīng)過參考臂四分之一波片返回至偏振分光鏡，并透過分光膜，在透過分光膜的透射光路上依次配置光電探測器A、光電探測器B、光電探測器C、光電探測器D、光電探測器E，所述高級次光束A射向光電探測器A，(0，0)級光束射向光電探測器B，高級次光束C射向光電探測器C，高級次光束B射向光電探測器D，高級次光束D射向光電探測器E；調(diào)整第二入射激光束的偏振態(tài)，使第二入射激光束在偏振分光鏡的分光膜面透射形成測量臂光束，在所述測量臂光束光路上依次配置測量臂四分之一波片、測量臂折光元件和測量光柵，測量臂光束經(jīng)過測量臂四分之一波片和測量臂折光元件射向測量光柵，測量臂光束經(jīng)測量光柵衍射反射形成測量光柵衍射反射(0，0)級光束和測量光柵衍射反射高級次光束A、B、C、D，所述測量光柵衍射反射(0，0)級光束和測量光柵衍射反射高級次光束A、B、C、D經(jīng)測量臂折光元件后其光束方向調(diào)整為與測量臂光束平行并反向，測量光柵衍射反射(0，0)級光束和測量光柵衍射反射高級次光束A、B、C、D再經(jīng)過測量臂四分之一波片返回至偏振分光鏡，經(jīng)偏振分光鏡反射依次分別形成光束C、A、B、D、E，所述光束A與高級次光束A匯合射向光電探測器A，光束B與(0，0)級光束匯合射向光電探測器B，光束C與高級次光束C匯合射向光電探測器C，光束D與高級次光束B匯合射向光電探測器D，光束E與高級次光束D匯合射向光電探測器E，所述光電探測器A、B、C、D、E將拍頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號由光纖或?qū)Ь€分別送到光電信號處理單元完成處理。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明中激光器輸出的雙頻激光束在空間上分開傳輸，并分開入射到偏振分光鏡上，消除了傳統(tǒng)的共軸雙頻激光由偏振分光鏡分光不完全引起的光學(xué)頻率混疊、偏振態(tài)混疊以及相應(yīng)的周期非線性誤差；(2)本發(fā)明中由兩根單模保偏光纖分開傳輸雙頻激光，這有利于雙頻激光的偏振態(tài)調(diào)整及光路對準(zhǔn)；(3)本發(fā)明中測量光柵衍射所產(chǎn)生的0級和對稱高級次衍射光分別和參考光柵的衍射光形成光學(xué)拍頻干涉，由五個光電探測器同時測量，通過信號處理可精確測量測量光柵在三維空間的位移，由于不需要激光器提供單獨的雙頻激光頻率差的拍頻信號，減少了光學(xué)元件，簡化了光路布局。附圖說明附圖是一種抗光學(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1-激光器；2-第一單模保偏光纖；3-第二單模保偏光纖；4-偏振分光鏡；5-參考臂四分之一波片；6-參考臂折光元件；7-參考光柵；8-測量臂四分之一波片；9-測量臂折光元件；10-測量光柵；11-光電探測器A；12-光電探測器B；13-光電探測器C；14-光電探測器D；15-光電探測器E；16-光電信號處理單元；2-1-第一入射激光束；2-2-參考臂光束；2-5-(0，0)級光束；2-3、2-4、2-6、2-7-高級次光束A、B、C、D；3-1-第二入射激光束；3-2-測量臂光束；3-5-測量光柵衍射反射(0，0)級光束；3-3、3-4、3-6、3-7-測量光柵衍射反射高級次光束A、B、C、D；3-8、3-9、3-10、3-11、3-12-光束A、B、C、D、E。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施例作進一步詳細描述?？构鈱W(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量方法，激光器同時輸出兩束激光，其中第一束激光為第一個頻率，第二束激光為第二個頻率，所述第一束激光和第二束激光在空間上分開并平行入射到一個分光鏡，第一束激光經(jīng)分光鏡反射形成參考光束入射到參考光柵，由參考光柵衍射形成多個級次的多束參考衍射光束，第二束激光經(jīng)分光鏡透射形成測量光束入射到測量光柵，由測量光柵衍射形成多個級次的多束測量衍射光束，所述參考衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束依次分別與測量衍射光束中的第一束、第二束、第三束、第四束、第五束激光束對應(yīng)匯合形成光學(xué)拍頻干涉，光學(xué)拍頻信號經(jīng)光電探測與信號處理得到測量光柵的三維相對運動信息?？构鈱W(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量系統(tǒng)，包括可輸出兩束不同頻率激光束的激光器1和偏振分光鏡4，其中一束激光束經(jīng)第一單模保偏光纖2傳輸至偏振分光鏡4的入射端形成第一入射激光束2-1，另一束激光束經(jīng)第二單模保偏光纖3傳輸至偏振分光鏡4的入射端形成第二入射激光束3-1，其特征在于調(diào)整第一入射激光束2-1的偏振態(tài)，使第一入射激光束2-1在偏振分光鏡4的分光膜面反射形成參考臂光束2-2，在所述參考臂光束2-2光路上依次配置參考臂四分之一波片5、參考臂折光元件6和參考光柵7，參考臂光束2-2經(jīng)過參考臂四分之一波片5和參考臂折光元件6射向參考光柵7，參考臂光束2-2經(jīng)參考光柵7衍射反射形成(0，0)級光束2-5和高級次光束A2-3、B2-4、C2-6、D2-7，所述(0，0)級光束2-5和高級次光束A2-3、B2-4、C2-6、D2-7經(jīng)參考臂折光元件6后其光束方向調(diào)整為與參考臂光束2-2平行并反向，(0，0)級光束2-5和高級次光束A2-3、B2-4、C2-6、D2-7再經(jīng)過參考臂四分之一波片5返回至偏振分光鏡4，并透過分光膜，在透過分光膜的透射光路上依次配置光電探測器A11、光電探測器B12、光電探測器C13、光電探測器D14、光電探測器E15，所述高級次光束A2-3射向光電探測器A11，(0，0)級光束2-5射向光電探測器B12，高級次光束C2-6射向光電探測器C13，高級次光束B2-4射向光電探測器D14，高級次光束D2-7射向光電探測器E15；調(diào)整第二入射激光束3-1的偏振態(tài)，使第二入射激光束3-1在偏振分光鏡4的分光膜面透射形成測量臂光束3-2，在所述測量臂光束3-2光路上依次配置測量臂四分之一波片8、測量臂折光元件9和測量光柵10，測量臂光束3-2經(jīng)過測量臂四分之一波片8和測量臂折光元件9射向測量光柵10，測量臂光束3-2經(jīng)測量光柵10衍射反射形成測量光柵衍射反射(0，0)級光束3-5和測量光柵衍射反射高級次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7，所述測量光柵衍射反射(0，0)級光束3-5和測量光柵衍射反射高級次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7經(jīng)測量臂折光元件9后其光束方向調(diào)整為與測量臂光束3-2平行并反向，測量光柵衍射反射(0，0)級光束3-5和測量光柵衍射反射高級次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7再經(jīng)過測量臂四分之一波片8返回至偏振分光鏡4，經(jīng)偏振分光鏡4反射依次分別形成光束C3-10、A3-8、B3-9、D3-11、E3-12，所述光束A3-8與高級次光束A2-3匯合射向光電探測器A11，光束B3-9與(0，0)級光束2-5匯合射向光電探測器B12，光束C3-10與高級次光束C2-6匯合射向光電探測器C13，光束D3-11與高級次光束B2-4匯合射向光電探測器D14，光束E3-12與高級次光束D2-7匯合射向光電探測器E15，所述光電探測器A11、B12、C13、D14、E15將拍頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號由光纖或?qū)Ь€分別送到光電信號處理單元16完成處理?？构鈱W(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量系統(tǒng)，所述參考光柵7為平面反射式二維正交光柵，所述測量光柵10為平面反射式二維正交光柵?？构鈱W(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量系統(tǒng)，所述測量光柵衍射反射高級次光束A3-3、B3-4、C3-6、D3-7依次分別是(0，+1)級、(+1，0)級、(-1，0)級、(0，-1)級光束。抗光學(xué)混疊的雙頻激光光柵干涉三維測量系統(tǒng)，所述光電探測器A11、B12、C13、D14、E15對光學(xué)拍頻信號的探測可以由光電探測器直接探測或由光纖探頭遠程探測。當(dāng)測量光柵10靜止時，高級次光束A2-3和光束A3-8、(0，0)級光束2-5和光束B3-9、高級次光束C2-6和光束C3-10、高級次光束B2-4和光束D3-11、高級次光束D2-7和光束E3-12分別形成測量光學(xué)拍頻干涉，其拍頻為激光器1輸出的雙頻激光的頻率之差，當(dāng)測量光柵10沿X軸運動時，光束C3-10將產(chǎn)生相應(yīng)的多普勒頻移，當(dāng)測量光柵10沿Y軸運動時，光束B3-9和D3-11將產(chǎn)生大小相等，符號相反的多普勒頻移，當(dāng)測量光柵10沿Z軸運動時，光束A3-8和E3-12將產(chǎn)生大小相等，符號相反的多普勒頻移，這使得光電探測器A11、B12、C13、D14、E15探測的光學(xué)拍頻信號發(fā)生變化，最后將光電探測器A11、B12、C13、D14、E15接收的信號進行處理，可精確測量光柵10在三維空間的位移。