一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统

摘要

本发明公开了一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，借助该系统可以实现高达亚纳米级的二维位移测量精度，特别适合于诸如光刻机、光栅刻划机、液晶面板加工机、精密机床等高端设备中运动控制所必须的反馈测量。具体为将不同频率的一维或二维光栅错位搭接、同频错位过渡铺设以实现大幅面铺设，从而实现任意大幅面运动规划所必须的路径控制范围，再配合以多个光栅位移测量探头的电气协调细分以大幅降低单点测量（细分）时间，从而实现任意大幅面、高精度（最高可达亚纳米，且有多种测量精度协调互验）、高速度（单探头所需要的细分量减少，整体速度优于目前光栅尺中探头的探测速度）运动控制所需的反馈测量。

权利要求

1.一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，其特征在于：包括高平整度台面、运动块、多块光栅、多组光栅测量探头、协调控制电路、多个光栅道标；其中，光栅和光栅道标均固定于台面之上，光栅测量探头和协调控制电路固定于运动块上，运动块在协调控制电路的驱动下相对于台面移动；

所述的多块光栅沿运动路径分为多道铺设于高平整度台面；铺设方法是：不同规格的光栅邻道铺设，同规格的光栅至少出现两道，并且当其中一道的光栅因光栅块不够长而出现断口时，其他道的光栅有足够的连续长度在运动块的运动方向覆盖该断口位置；

所述的光栅道标布置在光栅道的断口中央、相邻栅道的交界线以及台面边沿，且每一个道标标记唯一且其相对坐标位置关系由干涉仪提前标定用以建立整个台面的坐标网。

2.根据权利要求1所述的一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，其特征在于：所述测量探头包括多个光电感应探头和集成屏，集成屏内包括有支撑框架、多个折射晶体，多个光电感应探头和多个折射晶体均相对固定在支撑框架上。

3.根据权利要求2所述的一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，其特征在于：每道光栅对应运动块的位置至少有两个测量探头，即运动块在运动过程中有多个测量探头对任意一道的光栅进行位置探测，且同道测量探头布置的前后间距不超过单一光栅块在运动方向的长度。

4.根据权利要求2所述的一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，其特征在于：所述台面上布置的光栅可以选择不同的类型，根据光栅的类型不同，测量探头布置也相应的不同；

当采用反射型光栅时，激光光源与测量探头布置在光栅面的同侧，便于与运动块集成在一起；当采用透射型光栅时，激光光源与测量探头分布在光栅面的两侧，运动块或者与测量探头集成或者与激光光源一起集成，没有与运动块集成在一起的则阵列化布置于台面。

5.根据权利要求2所述的一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，其特征在于：所述协调控制电路与所述测量探头一起进行协调控制，以实现单一探头细分次数少但整体测量精度更高的效果；所述协调控制电路的控制方法包括同级栅道多个测量探头测量结果的统计分析，相同精度级的多个测量结果中剔除偏差较大的数据，取平均值作为输出，且测量精度要求越高，相应的光栅道和测量探头数则越多布置。

说明书

一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于精密仪器领域，具体为一种测量系统，特别适合于高端精密、高速要求、大幅面运动控制的系统和设备，为其提供运动反馈控制所必须的测量支撑。

背景技术

[0002] 光刻机作为工业母机其相关技术一直引领芯片相关产业的发展。按照目前的行业态势，下一代光刻机将针对18inch直径的晶圆(450mm)开发相关技术，对作为运动控制不可或缺的测量技术提出了更高的要求：运动部的运动规划范围至少达到米级、精度达到纳米甚至亚纳米、加速度不低于10g。在如此极端要求下，运动控制和材料性状等随时间变化情况的快速实时获取都将最终转化为对测量的要求，这对测量提出了更大的挑战，也是各国、相关企业时下暗中较劲争夺技术制高点的核心领域。当然，相关的应用还非常广泛，如大幅面液晶面板、高精度机床、大幅面光栅刻划机等需要高精度测量、而运动范围又非常大、测量速度要求非常快的高端装备。

[0003] 但是，目前大幅面光栅的制作非常困难，世界上也只有美国、法国和中国可以制作米级尺寸大幅面光栅，但超过1米尺度大幅面光栅加工机器仍未见有报道。光栅拼接以构成整块大光栅的想法已有文献报道和科学基金支持，研究诸如制栅过程分区曝光构造大幅面光栅等。其研究的目的主要是将同频率的两块光栅等相位拼接起来，但现实的加工操作能力限制了其应用。例如，对于2000线对/mm的光栅要在复制或粘帖在大幅面板上，其搭接精度低于1/4光栅周期就没有意义了，一般至少要高于1/8光栅周期(0.0625微米)，这个配准精度已经超过了很多大幅度运动控制系统的控制能力，而这还没考虑空间位置中的倾斜、微转等方面的影响。

[0004] 根据文献、专利检索和业内咨询讨论，以上采用大幅面(单频率)光栅测量大幅度运动是相关领域研究人员目前仍然在努力探索的事情，尚无可靠的方案。本发明专利则另辟蹊径，采用并列多道二维光栅、阵列多探头协调测量，并做统计分析以提高可靠性，同时借助光栅道标作为基准点从而建立起整体台面坐标控制网络。不仅完美解决了大幅面光栅的问题，而且进一步发展了提高测量稳定可靠性的新思路，这对高达纳米甚至亚纳米测量尤其重要，多项权利要求均属世界首创发明。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提出一种适合于大幅面运动规划的高精度、高速度测量系统，尤其适合于光刻机、大幅面液晶面板加工装备、精密机床、光栅刻划机等。本系统与目前此类设备所采用的测量系统相比，具有明显的技术优势，但同时也并限于所列应用，高精、快速、大幅面运动控制这三项极端要求中只要有一项需要，均可能考虑本发明的应用。

[0006] 为实现上述目的所采用的具体技术方案为：

[0007] 一种适合于大幅面运动规划的高精、高速运动测量系统，包括高平整度台面、运动块、多块光栅、多组光栅测量探头、协调控制电路、多个光栅道标；其中，光栅和光栅道标均固定于台面之上，光栅测量探头和协调控制电路固定于运动块上，运动块在协调控制电路的驱动下相对于台面移动。

[0008] 所述的多块光栅沿运动路径分为多道铺设于高平整度台面；铺设方法是：不同规格(周期)的光栅邻道铺设，同规格的光栅至少出现两道，并且当其中一道的光栅因光栅块不够长而出现断口时，其他道的光栅有足够的连续长度在运动块的运动方向覆盖该断口位置。

[0009] 所述的光栅道标布置在光栅道的断口中央、相邻栅道的交界线以及台面边沿。

[0010] 所述测量探头包括多个光电感应探头和集成屏，集成屏内包括有支撑框架、多个折射晶体，多个光电感应探头和多个折射晶体均相对固定在支撑框架上。

[0011] 每道光栅对应运动块的位置至少有两个测量探头，即运动块在运动过程中有多个测量探头对任意一道的光栅进行位置探测，且同道测量探头布置的前后间距不超过单一光栅块在运动方向的长度。

[0012] 所述台面上布置的光栅可以选择不同的类型，根据光栅的类型不同，测量探头布置也相应的不同；

[0013] 当采用反射型光栅时，激光光源与测量探头布置在光栅面的同侧，便于与运动块集成在一起；当采用透射型光栅时，激光光源与测量探头分布在光栅面的两侧，运动块或者与测量探头集成或者与激光光源一起集成，没有与运动块集成在一起的则阵列化布置于台面。

[0014] 所述协调控制电路与所述测量探头一起进行协调控制，以实现单一探头细分次数少但整体测量精度更高的效果(粗周期光栅道对应的探头和细周期光栅道对应探头，它们得到的信号需要进行精度细分的次数少而更容易实现，这样粗细光栅及探头得到的最终结果就可以覆盖多个分辨率实现高精度绝对定位)；所述协调控制电路的控制方法包括同级栅道多个测量探头测量结果的统计分析，相同精度级的多个测量结果中剔除偏差较大的数据，取平均值作为输出，且测量精度要求越高，相应的光栅道和测量探头数则越多布置。

[0015] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：

[0016] 其一，本发明首次提出了多道光栅、测量探头阵列同步测量、协调统计分析的方法进行纳米级精密测量，并给出了具体实现方案。与以往纳米级测量方法相比，其测量稳定性得到显著提高。

[0017] 其二，双频激光干涉仪是通常用于纳米级测量的一种典型方案，虽然其精度高，但必须有一个前提条件：运动必须是严格直线运动。从其原理不难发现，通常跟随运动部一起运动的反光镜平面、探头平面之间出现很小的不平行都将引起很大的误差，而且距离越远由非平行性引起的光程差越大。但问题的关键是，以当今世界的技术水平，要保证如此严格的直线运动、且运动过程几乎无任何抖动，往往是不现实的，难以实现的。本发明则可以同时考虑二维测量，且考虑到当运动部向某个方向运动(主运动方向)时其另一维运动量(即相对主运动方向的偏离量)很小，本发明采用在偏离方向铺设相对较窄的光栅宽度，很好地利用了光栅和测量探头的布置空间。

[0018] 其三，相比与通常基于光栅的测量方法，光栅尺是一个典型应用代表。且不谈光栅尺往往只利用了一维光栅、一个探头，本发明采用测量探头阵列、且有多种频率的栅道，其协调输出精度的重复稳定性也将得到明显的提高。且本发明所提出的粗、精探头协调细分技术、精度互验方法都是已有文献、国内外专利所没有过的。

附图说明

[0019] 图1是本发明以两种规格光栅铺设(具体使用时可以有很多道)为例的示意图。其中编号，A-a、B-b分别是两种频率规格的光栅(大写字母表示水平向、小写字母代表竖直向)栅道，其中每一道的断口位置与其同规格栅线道的断口位置错开；C代表光栅道标(形状仅做示意)，布置在栅线道的断口处，可直接由测量探头唯一识别；边上的箭头线代表主运动方向。

[0020] 由于各道测量探头的探测方法相同，阵列化布置方案对于转弯部位并无特别要求，只要通过道标识别出相应位置并由协调控制电路重新协调分配各测量探头的探测任务即可(直接变向)。当然，也可以采用环形多道光栅布置于拐角位置，运动块经过该位置时自身也进行一定的自转来实现转弯(自转后变向)。

[0021] 图2是本发明的总体组成示意图的一个例子，指示各组成的相对位置关系。其中编号，1是运动块(如，磁悬浮平面电机动子)，2是测量探头及协调控制电路，3是阵列光栅(即图1所示)，4是台面(如，磁悬浮平面电机定子)。

[0022] 图3本发明中原理示意图。其中编号，5是光电感应探头(分别探测两个方向，这里限于图示空间，仅画出两个)，只要参与干涉的两路衍射光强(如+m和-m、+n和-n，m、n是整数)足以形成有效的干涉信号，均可安排一个光电感应探头进行探测；6是折射晶体(或微镜、小片光栅)、光强衰减片、光程补偿片的集合体，主要用于将计量光栅的衍射光传播方向以设计需要的方向改变；7是激光光源，最好是半导体激光器以便于封装小型化；8是计量光栅，图示为二维反射光栅。

[0023] 另外，当采用透射型计量光栅时则，激光光源7将置于计量光栅的背面，一样垂直光栅面入射，这样其衍射光分布与图3的衍射光分布相同。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

[0025] 该系统包括高平整度台面、运动块、多块光栅、光栅测量探头阵列、协调控制电路、多个光栅道标。光栅和光栅道标均固定于台面之上，测量探头和协调控制电路可以集成于运动块的下表面(此处仅为便于表述，并不仅限于这种上下关系，而是指运动块与台面之间的关系，即便台面是侧立的甚至面向下的都适用于本发明)。(运动块可以是各种电机的运动部，台面和运动块的组合关系类似于诸如磁悬浮平面电机、气浮平面电机等的情况)。

[0026] 所述高平整度台面是指，为了配合基于光栅的云纹干涉高精度测量所必须的平整度台面，作为光栅的载体，用以在其表面铺设光栅。材质要求应该耐摩、热稳定性好、热膨胀系数低、不易变形等；对于采用反射光栅时其可以是非透光材料；对于采用透射光栅时其应该采用透光性能较好的材料，如石英玻璃等。

[0027] 进一步地，当采用透射光栅时，光栅铺设于台面的表面，在表面之下还将布置激光光源阵列，或探头阵列，或二者兼有。目的是，当光源从下方向上照射，照射光向上穿过光栅后被上方布置的探头接收；类似地，当光源从上方向下照射，照射光向下穿过光栅后被下方布置的探头接收。当采用反射光栅时则只有一种情况，光源从上方照射到光栅，经过光栅反射后被探头接收。

[0028] 进一步地，所述测量探头包括光电感应探头(或其他光电感应器件，如CCD、COMS等)和集成屏，本发明是指将他们集合封装为一体并称为测量探头。其中集成屏又包括支撑框架、特殊折射晶体(或微镜、小片光栅)、光强衰减片、光程差补偿片等；多个光电感应探头和多个折射晶体均相对固定在支撑框架上；集成屏与光栅平面平行放置；通过集成屏实现多个衍射级次的光同步干涉测量，不同的衍射级次对应不同的分辨率，从而实现多自由度、多分辨率测量。支撑框架为在可透光的集成块(实心的)内开设的可容纳光电感应探头和折射晶体的空间，光电感应探头和折射晶体集成镶嵌在该空间内。就应用中的相对关系而言，测量探头与运动块(即：电机的移动部)相对固定在一起，台面作为电机的固定部。

[0029] 所述多块光栅，为常用平面光栅。根据调研，目前世界上高精度大面积平面光栅的制作能力极其有限，有少数国家勉强能达到1米边长级的加工设备，产品多为军工定制，尚无在售产品。这限制了很多应用，并吸引了很多不同行业的研究人员为之努力。为此，本发明采用普通光栅通过多道错位搭接铺设、多探头阵列探测的方法实现大以往需要面积光栅才可实现的大幅面运动规划测量系统。

[0030] 具体铺设方法是，同规格的光栅至少出现两道，并且当其中一道的光栅因光栅块不够长而出现断口时，其他道的光栅有足够的连续长度在运动向覆盖该断口位置。其中光栅可以是二维光栅、一维光栅、双频光栅、多频光栅(每一维度都可以有不同的频率)，振幅型光栅、位相型光栅，透射型光栅、反射型光栅。这样并列的至少两道测量探头可以实现测量互补验证，特别是渡过光栅断口位置。而且，对于大多数运动规划而言，运动路径是一定的，运动方向已经确定，在运动方向的垂直方向运动偏移也需要测量，但偏移量很小，这样光栅道的宽度本身也不需要很大的尺寸。

[0031] 具体制作实现，可以是将已有的母栅对台面板进行复制(台面板事先涂抹光栅复制胶)，也可以将由母栅复制出的光栅直接粘帖于台面板。由于铺设过程只需要一维控制(运动方向)，由双频激光干涉仪等可以非常完美的对铺设过程进行校准。

[0032] 所述测量探头(阵列)其布置方式需要满足：每道光栅道至少有两个测量探头且其间距必须小于单块光栅的铺设长度，即在运动块在运动过程中有多个测量探头对任意一道的光栅进行位置探测，且同道测量探头布置的前后间距不超过单一光栅块在运动向的长度。这样当某一个测量探头经过光栅断口(刚好设置了光栅道标)无法探测时则有其前后多个测量探头可以仍然不间断探测。再配以至少两个栅道实现的是同精度测量，这样有很多个测量探头进行协调统计得到该测量精度级的一个输出。这一点对于纳米级测量非常关键，因为纳米级的测量往往稳定性不好，最明显的特征就是分辨率很高、但精度却低了一到两个数量级。而对于下一代光刻机针对的450mm直径晶圆这类需要大尺寸运动块载体的设备，运动块的尺寸足以布置大量的探头。

[0033] 台面上布置的光栅可以是不同的类型，而根据光栅的类型不同探头布置也相应的不同。例如：采用反射型光栅则，测量探头均面向光栅与运动块固定在一起，如布置在运动块下方；当采用透射光栅时则，光栅所布置的台面是透光材料，当光源(阵列)布置于台面板的下方时测量探头的布置方式与反射光栅相同，但也可以光源阵列和探头阵列位置互换或均有掺插(上下均有测量探头和光源，台面板大布置的量要求更多)。另外，除了采用光栅尺用常规探头(只能实现一维测量)，还可以利用其他类型的测量探头实现三维运动测量。

[0034] 所述光栅道标布置于光栅道的端口接头位置、道与道的边沿、台面的边沿，且每一个道标标记唯一且其相对坐标位置关系由干涉仪等设备提前标定用以建立整个台面的坐标网，光栅探头或附加探头可唯一识别并用于探头测量位移的校准，减少误差传递。光栅道标的作用是作为整个台面坐标网络的定标点(校准点)，各光栅道标间的相对坐标关系由激光干涉仪等设备事先标定，并输入协调控制电路系统。其形式只要便于探头唯一识别即可(每个光栅道标各不相同)，如特别散斑点、不同颜色的亮点、特制线、零位光栅等，效果类似于马路的里程碑，起到测量校验作用。

[0035] 进一步地，协调控制电路将对道标数据、测量探头间的相对位置关系(经其他手段精密标定)数据、测量探头实际测量数据进行统计分析以得到最终的位移、速度数据。协调控制电路与测量探头一起进行协调控制可以实现单一探头细分次数少但整体测量精度更高的效果(最终的测量精度取决于原始信号的保真度，而目前细分芯片实现高倍细分时运算速度大幅下降从而导致整体测量速度慢)。类型根据光栅的类型不同，其构造不同，但都有相同的电气(芯片)细分功能，但已有的专利、产品、文献均是对单一频率的光栅探测结果进行细分，例如，德国海德光栅尺产品的细分达到了4096次。本项权利要求举例说明如下，假如甲芯片有能力细分1000次，则使用一个1000线对/mm的光栅进行测量，其初始精度是1微米，细分后的精度是1纳米；乙芯片只有细分100次的能力，采用100线对/mm的光栅进行测量，其初始精度是10微米，细分后的精度是100纳米，但同时又同步使用1000线对/mm的光栅进行了测量，其初始精度也是1微米，按照正常细分其本次测量只能得到10纳米的精度。但其本次细分不必以1微米为区间进行细分了，而应该以100纳米为区间(第一次测量精度)对1000线对/mm光栅信号进行细分得到的结果也是1纳米的精度。据此，合理的布置不同光栅道其光栅频率，借助该算法可以达到高速高精度的测量目的。

[0036] 协调控制电路(主要采用芯片实现)中的算法还包括同级栅道多个测量探头测量结果的统计分析，如相同精度级的多个测量结果中剔除偏差较大的(如过光栅断口时刻该探头的测量结果)取平均作为输出等，这对于高精度，特别是纳米甚至亚纳米测量尤为关键。而纵观双频激光干涉仪、计量型原子力显微镜、X射线干涉仪等设备，最直观、明显的特征就是分辨率很高、但精度却低了一到两个数量级甚至更多，究其根本原因在于重复稳定性不够好，本发明采用阵列多探头、多部位协调同步测量再做统计分析的方法则提供了一个非常新颖有效的解决思路和方案。另外，测量精度要求越高，相应的光栅道和探头数应该越多布置。

[0037] 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。