CN101344375B - 高分辨率外差激光干涉系统及提高分辨率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高分辨率外差激光干涉系统及提高分辨率的方法，其包括：产生测量时使用的激光束，经过分光片，分成透射光和反射光，透射光经第三四分之一波片后射到可动平面反射镜上反射回第一测量光，反射光经第二四分之一波片后射到第二参考平面反射镜上反射回第一参考光，所述第一测量光和第一参考光经干涉仪的多次透射和反射，形成各自的出射光，出射光被信号处理单元接受，通过采用不同数量的角锥棱镜，控制测量光束在干涉仪与可动平面反射镜之间的往返次数，从而实现提高分辨率的目的。

Description

高分辨率外差激光干涉系统及提高分辨率的方法

技术领域

本发明涉及双频激光干涉系统和提高分辨率的方法，且特别涉及高分辨率外差激光干涉系统及提高分辨率的方法。

背景技术

外差激光干涉仪因其高分辨率，高精度等优点而被广泛用于光刻机工件台与掩模台的精密定位。随着工件台与掩模台定位精度的提高，对外差激光干涉仪的精度提出了更高的要求。外差激光干涉仪的分辨率是影响其测量精度的关键因素。因此，提高外差激光干涉仪的分辨率是提高其测量精度的重要保障。

专利200410053441.4给出了一种光学八细分双频激光干涉仪，图1给出了在光学八细分双频激光干涉仪示意图。图1中，包括一双频激光器4和一探测器3，测量光束在可动角锥棱镜1，偏振分光棱镜2，固定角锥棱镜7，8与反射镜6之间进行反射与透射，参考光束在偏振分光棱镜2，固定角锥棱镜5，7，8与反射镜6之间进行反射与透射。测量光束与参考光束在光束转换器9处被反射，之后由反射镜10将测量光束与参考光束导入到探测器3中进行信号处理。由于在先技术1中的双频激光干涉系统的可动部件为一角锥棱镜，使用该干涉仪进行测量时，限制了可动部件的可动方向。即只有当可动部件沿一个方向运动时，才能使用该干涉仪进行测量。当可动部件同时具有x，y，z三个方向的自由度时，则无法使用该干涉仪进行测量。此外，由于光路中入射光束与出射光束都需要经过光束转换器9，使光束能量受到两次衰减，大大影响了干涉仪的测量精度。

发明内容

为了克服已有技术中可动方向的限制和光束能量易衰减等问题，本发明提供一种具有可空间三维移动的、结构简单、易于实现的提高分辨率的装置和方法。

为了实现上述目的，本发明提出一种高分辨率外差激光干涉系统，其包括：激光器，产生测量时使用的激光束，第一偏振分光片和第二偏振分光片，设置于所述激光器的输出光路上，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片紧挨在一起，第一四分之一波片和第一参考平面反射镜，依次放置于所述第一偏振分光片的反射光光路上，第二四分之一波片和第二参考平面反射镜，依次放置于所述第二偏振分光片的反射光路上，第三四分之一波片和可动平面反射镜，依次放置于所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的出射光路上，至少一个角锥棱镜，放置于所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片和所述激光器之间，接收器，放置于所述激光器的一侧，在所述可动平面反射镜的反射光线经所述第一偏振分光片透射的光路上，用于接受来自干涉仪的信号。

进一步的，经所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的光束作为参考光束使用。

进一步的，所述可移动反射镜放置于待测装置上，所述可移动反射镜移动的距离和待测装置所移动的距离相等。

进一步的，经所述可动平面反射镜反射的光束作为测量光束使用。

进一步的，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面相互垂直。

进一步的，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面与所述激光器的输出光路皆成45°角。

进一步的，通过改变角锥棱镜的数量，控制测量光束在干涉仪与可动平面反射镜之间的往返次数，从而实现不同的分辨率。

进一步的，角锥棱镜数量为2时，光束经过所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的次数皆为3次，经过所述可动平面反射镜反射的次数为6次。

为了实现上述目的，本发明提出一种提高外差激光干涉系统分辨率的方法，其包括：产生测量时使用的激光束，经过第二分光片，分成透射光和反射光，透射光经第三四分之一波片后射到可动平面反射镜上反射回第一测量光，反射光经第二四分之一波片后射到第二参考平面反射镜上反射回第一参考光，所述第一测量光和第一参考光经干涉仪中的第一分光片、第二分光片、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第一参考平面反射镜、第二参考平面反射镜、可动平面反射镜和至少一个角锥棱镜的多次透射和反射，最终形成所述第一测量光的出射光和第一参考光的出射光，接受来自干涉仪的出射光。

进一步的，经所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的光束作为参考光束使用。

进一步的，所述可移动反射镜放置于待测装置上，所述可移动反射镜移动的距离和待测装置所移动的距离相等。

进一步的，经所述可动平面反射镜反射的光束作为测量光束使用。

进一步的，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面相互垂直。

进一步的，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面与所述激光器的输出光路皆成45°角。

进一步的，通过改变角锥棱镜的数量，控制测量光束在干涉仪与可动平面反射镜之间的往返次数，从而实现不同的分辨率。

进一步的，当角锥棱镜数量为2时，光束经过所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的次数皆为3次，经过所述可动平面反射镜反射的次数为6次。

本发明所述的高分辨率外差激光干涉系统及提高分辨率的方法的有益效果主要表现在：可动平面反射镜沿空间三维方向任意运动时，测量光束的光路不变，不影响干涉仪的测量，同时，干涉仪的输出光束与输入光束不共路，光束能量没有衰减，因而提高了干涉仪的测量精度。

附图说明

图1为光学八细分双频激光干涉系统示意图；

图2为本发明提高干涉仪分辨率方法的流程图；

图3为本发明中第一实施例的外差激光干涉系统结构图；

图4为本发明中第一实施例的测量光路示意图；

图5为本发明中第一实施例的参考光路示意图；

图6为本发明中第二实施例的外差干涉仪示意图；

图7为本发明中第三实施例中的外差干涉仪示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的描述。

请参考图2，图2是本发明提高干涉仪分辨率方法的流程图，从图2中我们可以看出本发明的提高干涉仪分辨率方法包括下列步骤：步骤10：产生测量时使用的激光束；步骤11：经过第二分光片，分成透射光和反射光；步骤12：透射光经第三四分之一波片后射到可动平面反射镜上反射回第一测量光；步骤13：反射光经第二四分之一波片后射到第二参考平面反射镜上反射回第一参考光；步骤14：所述第一测量光和第一参考光经干涉仪中的第一分光片、第二分光片、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第一参考平面反射镜、第二参考平面反射镜、可动平面反射镜和至少一个角锥棱镜的多次透射和反射，最终形成所述第一测量光的出射光和第一参考光的出射光；步骤15：接受来自干涉仪的出射光。

图3，图4与图5给出了本发明中激光外差干涉仪的一个具体实施例。干涉仪111包括第一偏振分光片19，第二偏振分光片20，第一角锥棱镜13，第二角锥棱镜14，位于参考光路中的第一四分之一波片15，第二四分之一波片17，位于测量光路中的第三四分之一波片21，第一参考平面反射镜16，第二参考平面反射镜18。偏振分光片19与偏振分光片20相互垂直，激光器12用于产生测量时使用的激光束，接收器11用于接收来自干涉仪111的信号，可动平面反射镜22可安装在需要测量的部件上，用以反射测量光束形成测量信号。图3中同时给出了干涉仪中的参考光路与测量光路。图4给出了该具体实施例中的测量光路。图5给出了该具体实施例中的参考光路。

激光器12发出的双频激光入射到干涉仪111中的第二偏振分光片20上，透射光形成测量光束，反射光形成参考光束。测量光束入射到可动平面反射镜22上沿原路返回，参考光束入射到第二参考平面反射镜上沿原路返回。在此过程中，测量光束两次经过第三四分之一波片21，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处反射，参考光束两次经过第二四分之一波片17，从而偏振方向改变，使参考光束能够在偏振分光片处透射。测量光束经过第二偏振分光片20的反射，第一偏振分光片19的反射，再次入射到可动平面反射镜22上并再次沿原路返回，参考光束经过第二偏振分光片20的透射，第一偏振分光片19的透射，入射到第一参考平面反射镜16上并再次沿原路返回。在此过程中，测量光束再次两次经过第三四分之一波片21，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处透射，在此过程中，参考光束再次两次经过第一四分之一波片15，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处反射。测量光束经过第一角锥棱镜13的反射，第一偏振分光片19的透射，第三次入射到可动平面反射镜22上并沿原路返回，参考光束经过第一角锥棱镜13的反射，第一偏振分光片19的反射，再次入射到第一参考平面反射镜16上并沿原路返回。在此过程中，测量光束第三次两次经过第三四分之一波片21，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处反射，参考光束再次两次经过第一四分之一波片15，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处透射。测量光束经过第一偏振分光片19的反射，第二偏振分光片20的反射，第四次入射到可动平面反射镜22上并沿原路返回，参考光束经过第一偏振分光片19的透射，第二偏振分光片20的透射，再次入射到第二参考平面反射镜22上并沿原路返回。在此过程中，测量光束第四次两次经过第三四分之一波片21，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处透射，参考光束再次两次经过第二四分之一波片17，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处反射。测量光束经过第二角锥棱镜14的反射，第二偏振分光片20的透射，第五次入射到可动平面反射镜22上并沿原路返回，参考光束经过第二角锥棱镜14的反射，第二偏振分光片20的反射，第三次入射到第二参考平面反射镜18上并沿原路返回。在此过程中，测量光束第五次两次经过第三四分之一波片21，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处反射，参考光束第三次两次经过第二四分之一波片17，从而偏振方向改变，使参考光束能够在偏振分光片处透射。测量光束经过第二偏振分光片20的反射，第一偏振分光片19的反射，第六次入射到可动平面反射镜22上并沿原路返回，参考光束经过第二偏振分光片20的透射，第一偏振分光片19的透射，第三次入射到第一参考平面反射镜16上并沿原路返回。在此过程中，测量光束第六次两次经过第三四分之一波片21，从而偏振方向改变，使测量光束能够在偏振分光片处透射，参考光束第三次两次经过第三四分之一波片15，从而偏振方向改变，使参考光束能够在偏振分光片处反射。最后，透射的测量光束与反射的参考光束同时进入到信号处理单元11中进行信号处理。

当可动平面反射镜22的运动速度为v，激光的波长为λ，测量光束在干涉仪111与平面反射镜22之间往返一次时，测量光束附加的多普勒频移Δf为

${\mathrm{\Δf}}_M=\±2\frac{v}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

从上述过程中可知，测量光束在干涉仪111与平面反射镜22之间往返六次，则本发明中干涉仪测量光束附加的多普勒频移Δf_M为

${\mathrm{\Δf}}_M=6\·\mathrm{\Δf}=\±12\frac{v}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

参考光束与测量光束经过信号处理单元11后，得到多普勒频移信号的波数N，即

$N={\∫}_0^1{\mathrm{\Δf}}_M\mathrm{dt}={\∫}_0^1\frac{12v}{\mathrm{\λ}}\mathrm{dt}=\frac{12}{\mathrm{\λ}}{\∫}_0^1\mathrm{vdt}=\frac{12}{\mathrm{\λ}}\·L---\left(3\right)$

$L=N\·\frac{\mathrm{\λ}}{12}---\left(4\right)$

其中，L为可动平面反射镜22的位移。由上式(4)可知，本发明中外差激光干涉系统的分辨率为λ/12。通过采用不同数量的固定角锥棱镜或不同的光路布局，可控制测量光束在干涉仪与可动平面反射镜之间的往返次数，从而实现不同的分辨率。

图6给出了本发明中外差激光干涉系统的第二个具体实施例。干涉仪112包括第一偏振分光片19，第二偏振分光片20，第一角锥棱镜23，第二角锥棱镜24，位于参考光路中的第一四分之一波片15，第二四分之一波片17，位于测量光路中的第三四分之一波片21，第一参考平面反射镜16，第二参考平面反射镜18，第一反射镜25，第二反射镜26。干涉仪112的工作原理与具体实施例1中干涉仪111的工作原理相同。

在干涉仪112中，利用不同的光路布局，即参考光束与测量光束被第一角锥棱镜23反射两次，实现了测量光束在干涉仪112与可动平面反射镜22之间的8次往返，从而使干涉仪的分辨率改变。由式(1)～(4)可知，该具体实施例中干涉仪112的分辨率为λ/16，相对于具体实施例1中的干涉仪111，分辨率提高了3/4倍。

图7给出了本发明中外差激光干涉系统的第三个具体实施例。干涉仪113包括第一偏振分光片19，第二偏振分光片20，第一角锥棱镜27，第二角锥棱镜28，第三角锥棱镜29，位于参考光路中的第一四分之一波片15，第二四分之一波片17，位于测量光路中的第三四分之一波片21，第一参考平面反射镜16，第二参考平面反射镜18。干涉仪113的工作原理与具体实施例1中干涉仪111的工作原理相同。

在干涉仪113中，通过使用三个角锥棱镜，即第一角锥棱镜27，第二角锥棱镜28，第三角锥棱镜29，实现了测量光束在干涉仪113与可动平面反射镜22之间的8次往返，从而使干涉仪的分辨率改变。由式(1)～(4)可知，该具体实施例中干涉仪113的分辨率为λ/16，相对于具体实施例1中的干涉仪111，分辨率提高了3/4倍。

从上述实施例可知，当可动平面反射镜22同时具有x，y，z三个方向的运动自由度时，测量光束的光路不变，因而不影响干涉仪的测量。同时，干涉仪的输出光束与输入光束不共路，无需采用光束转换器分离输入光束与输出光束，光束能量没有受到衰减，因而干涉仪的测量精度得到提高。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种高分辨率外差激光干涉系统，包括双频激光器、干涉仪、接收器和可动平面反射镜，其特征在于所述干涉仪包括：

第一偏振分光片和第二偏振分光片，设置于所述激光器的输出光路上，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片紧挨在一起，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面相互垂直，所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面与所述激光器的输出光路皆成45°角；

第一四分之一波片和第一参考平面反射镜，依次放置于所述第一偏振分光片的反射光光路上；

第二四分之一波片和第二参考平面反射镜，依次放置于所述第二偏振分光片的反射光路上；

第三四分之一波片；

至少一个角锥棱镜，放置于所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片和所述激光器之间，

所述第三四分之一波片和所述可动平面反射镜依次放置于所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的出射光路上。

2.根据权利要求1所述的高分辨率外差激光干涉系统，其特征在于包括：经所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的光束作为参考光束使用。

3.根据权利要求1所述的高分辨率外差激光干涉系统，其特征在于包括：所述可动平面反射镜放置于待测装置上，所述可动平面反射镜移动的距离和待测装置所移动的距离相等。

4.根据权利要求1所述的高分辨率外差激光干涉系统，其特征在于包括：经所述可动平面反射镜反射的光束作为测量光束使用。

5.根据权利要求1所述的高分辨率外差激光干涉系统，其特征在于包括：通过改变角锥棱镜的数量，控制测量光束在干涉仪与可动平面反射镜之间的往返次数，从而实现不同的分辨率。

6.根据权利要求5所述的高分辨率外差激光干涉系统，其特征在于包括：角锥棱镜数量为2时，光束经过所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的次数皆为3次，经过所述可动平面反射镜反射的次数为6次。

7.一种提高激光干涉系统分辨率的方法，包括产生测量时使用的激光束，激光束经过干涉仪和接收出射的激光束，其特征在于所述激光束经过干涉仪包括：

经过第二分光片，分成透射光和反射光；

透射光经第三四分之一波片后射到可动平面反射镜上反射回第一测量光；

反射光经第二四分之一波片后射到第二参考平面反射镜上反射回第一参考光；

所述第一测量光和第一参考光经干涉仪中的第一分光片、第二分光片、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第一参考平面反射镜、第二参考平面反射镜、可动平面反射镜和至少一个角锥棱镜的多次透射和反射，最终形成所述第一测量光的出射光和第一参考光的出射光。

8.根据权利要求7所述的一种提高激光干涉系统分辨率的方法，其特征在于包括：经所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的光束作为第一参考光使用。

9.根据权利要求7所述的一种提高激光干涉系统分辨率的方法，其特征在于包括：所述可动平面反射镜放置于待测装置上，所述可动平面反射镜移动的距离和待测装置所移动的距离相等。

10.根据权利要求7所述的一种提高激光干涉系统分辨率的方法，其特征在于包括：所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面相互垂直。

11.根据权利要求7所述的一种提高激光干涉系统分辨率的方法，其特征在于包括：所述第一偏振分光片和所述第二偏振分光片的分光面与所述激光器的输出光路皆成45°角。

12.根据权利要求7所述的一种提高激光干涉系统分辨率的方法，其特征在于包括：通过改变角锥棱镜的数量，控制测量光束在干涉仪与可动平面反射镜之间的往返次数，从而实现不同的分辨率。

13.根据权利要求12所述的一种提高激光干涉系统分辨率的方法，其特征在于包括：当角锥棱镜数量为2时，光束经过所述第一参考平面反射镜和所述第二参考平面反射镜反射的次数皆为3次，经过所述可动平面反射镜反射的次数为6次。

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