本发明公开了一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置及方法，包括光源模块、超表面光栅、反射模块和探测模块；所述的超表面光栅作用是将光源模块产生的左旋或右旋圆偏振光分至不同衍射级；通过反射模块使得入射光两次经过超表面光栅调控，其出射光的两个正交偏振分量强度分别映射超表面相对于光轴的二维横向位移；通过探测模块测量出射光两个正交偏振的功率，对测量功率求解相位进而得到面内位移量。该装置和方法利用超表面测量二维横向位移，结构简单、量程大、灵敏度高。
1.一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置，其特征在于，包括光源模块、超表面光栅(12)、反射模块和探测模块；
所述的光源模块包括激光器(1)、半波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第一反射镜(4)、第一声光调制器(5)、第二声光调制器(6)、第二反射镜(7)、第二偏振分光棱镜(8)、第一四分之一波片(9)、第一非偏振分光棱镜(10)、监测功率计(11)；所述的光源模块中的激光器(1)出射的线偏振平行光束经过半波片(2)后线偏振方向旋转，再经过第一偏振分光棱镜(3)，得到功率相等、偏振相互垂直的两路平行光；其透射光为p偏振，经过第一反射镜(4)反射后经过第一声光调制器(5)后由一级衍射出射；其反射光为s偏振，经过第二声光调制器(6)后的一级衍射光经过第二反射镜(7)反射；透射光和反射光由第二偏振分光棱镜(8)在空间上合束；合束后的光经第一四分之一波片(9)分别生成左旋和右旋圆偏振光，并照射到第一非偏振分光棱镜(10)上；经所述的第一非偏振分光棱镜(10)反射光照明到监测功率计(11)上；
所述的反射模块包括依次排列的透镜(13)、空间滤波片(14)、第三反射镜(15)；
所述的探测模块包括第二非偏振分光棱镜(16)、第二四分之一波片(17)、第一检偏器(18)、第一测量功率计(19)、第三四分之一波片(20)、第二检偏器(21)、第二测量功率计(22)；所述第二非偏振分光棱镜(16)将信号光分成两路；经第二非偏振分光棱镜(16)的透射光经过第二四分之一波片(17)、第一检偏器(18)后由第一测量功率计(19)接收；经第二非偏振分光棱镜(16)的反射光经过第三四分之一波片(20)、第二检偏器(21)后由第二测量功率计(22)接收；
所述光源模块提供功率稳定偏振分布均匀的激光，所述超表面光栅将两次调制激光偏振附加二维横向位移信息，所述反射模块将超表面透射光反射再次经过超表面调制，所述探测模块通过多路测量得到四路相移信号功率，对测量结果计算得到被测二维位移量。
2.根据权利要求1所述的一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置，其特性在于，所述的超表面光栅(12)将入射平行光衍射至多个衍射级，其中三个衍射级分别实现三种偏振的投影过程；所述的超表面光栅(12)包括在透光基底上加工出纳米精度的椭圆柱状颗粒阵列；所述的超表面光栅(12)在二维横向移动过程中始终位于所述的透镜(13)的焦平面上。
3.根据权利要求2所述的一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置，其特征在于，所述超表面光栅(12)的超表面结构参数由优化算法得到，所述优化算法包括多参数梯度下降法。
4.根据权利要求3所述的一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置，其特征在于，所述超表面光栅(12)的椭圆柱状颗粒的材料为金属或者高折射率介质，包括金、银、硅、GaAs或TiO2。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述的光源模块中的激光器(1)出射的线偏振平行光束经过半波片(2)后线偏振方向旋转，再经过第一偏振分光棱镜(3)，得到功率相等、偏振相互垂直的两路平行光；其透射光为p偏振，经过第一反射镜(4)反射后经过第一声光调制器(5)后由一级衍射出射；其反射光为s偏振，经过第二声光调制器(6)后的一级衍射光经过第二反射镜(7)反射；第一声光调制器(5)和第二声光调制器(6)均由射频信号源控制，快速交替切换两条光路开关状态；透射光和反射光由第二偏振分光棱镜(8)在空间上合束；合束后的光经第一四分之一波片(9)分别生成左旋和右旋圆偏振光，并照射到第一非偏振分光棱镜(10)上；经所述的第一非偏振分光棱镜(10)反射光照明到监测功率计(11)上，得到监测功率 ，即 、 ，R表示右旋圆偏光入射，L表示左旋圆偏光入射；经所述的第一非偏振分光棱镜(10)透射光照明到超表面光栅上(12)；所述的超表面光栅(12)将左旋或右旋偏振光映射至三个衍射级，三个衍射级偏振态分别为 、 、 ，即振动方向与x轴夹角为0°、45°、90°的线偏振，在传播过程中分离进入所述的反射模块；
经所述的反射模块中的所述的透镜(13)偏折会聚，经空间滤波片(14)、第三反射镜(15)将调制后的光场以相同偏振态和入射角度反射回所述的超表面光栅(12)上；
三束反射偏振光照射在所述的超表面光栅(12)上，经超表面光栅(12)衍射偏折回光轴后干涉，形成强度和偏振空间均匀分布的待测信号光出射；出射信号光经第一非偏振分光棱镜(10)反射至所述的探测模块；
所述的探测模块中的第二非偏振分光棱镜(16)将信号光分成两路；经第二非偏振分光棱镜(16)的透射光经过第二四分之一波片(17)、第一检偏器(18)后由第一测量功率计(19)接收，测得透射功率 ，即 和 ，H表示信号光水平偏振分量；经第二非偏振分光棱镜(16)的反射光经过第三四分之一波片(20)、第二检偏器(21)后由第二测量功率计(22)接收，测得反射功率 ，即 和 ，V表示信号光垂直偏振分量；所述的第二四分之一波片(17)和第三四分之一波片(20)作用为补偿光路中的退偏效应；所述的第一检偏器(18)主轴方向沿x方向；所述的第二检偏器(21)主轴方向沿y方向；
所述的透射功率和反射功率 中扣除掉预先记录的无超表面时的背景噪声，消除环境光和光学元件表面反射光的影响；再与同时记录的监测功率计(11)的监测功率 作比值，消除激光器(1)的功率抖动的影响，再分离出左旋和右旋圆偏振光入射时的信号，并做归一化处理后得到归一化的 、 、 、 ，分别为入射右旋圆偏光时的透射功率、入射左旋圆偏光时的透射功率、入射右旋圆偏光时的反射功率和入射左旋圆偏光时的反射功率；将 和 、 和 两组功率分别绘制出李萨如图并拟合得到相位差；带入相位差求解出相位后得到位移‑相位平面并拟合，得到相位斜率 和 ；
移动所述的超表面光栅(12)后重复上述步骤，通过第一测量功率计(19)和第二测量功率计(22)测量得到透射功率和反射功率，通过处理后得到新的归一化透射功率和反射功率、 、 和 并反解出相位，计算与起始位置之间的相位差，根据相位差与相位斜率的比值获得超表面光栅相对于起点的二维位移量。
6.根据权利要求5的测量方法，其特征在于，每个衍射级实现一种设计的偏振的投影过程，其衍射方向与光轴夹角为 ，其中， 是激光器波长，Λ是x方向和y方向的结构周期。
7.根据权利要求5的测量方法，其特征在于，所述的空间滤波片(14)仅允许所述的三个衍射级通过，所述的空间滤波片(14)由不透光材料制成。
基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光学精密位移测量技术领域，尤其涉及一种超表面光栅的纳米级二维位移测量装置及方法。
背景技术
[0002] 光学位移测量作为一种快速、非接触的方法在半导体制造等领域发挥着重要作用。随着先进集成电路制造中光刻技术向10纳米及以下工艺节点的延伸，光刻技术对套刻精度的要求达到了亚纳米量级，同时也对多自由度位移测量提出了需求。
[0003] 基于衍射的套刻误差测量方法(DBO)是最常用的方法之一，它被证明是一种有效的套刻误差测量技术，具有亚纳米级的测量精度和良好的重复性，在工业上被广泛用于光刻工艺。然而，为实现二维面内位移量测量，DBO标记物通常需要包含多组光栅，占用大量晶圆面积，导致最终成品器件数量低。另一方面，近年来在纳米光子学领域出现了多种集成度高的光学精密位移测量方案，例如利用光学天线对与结构光照明结合的方案可以达到亚纳米分辨率，但是其只能测量一维位移，不适用于多维度位移测量的场景。而利用球型光学天线的定向散射可以用于平面内二维位移测量，但其测量量程只有百纳米，且需要复杂的成像后处理过程，存在信号读取速度慢、信噪比低等问题。
[0004] 因此，亟需发展一套高测量精度、大量程、信号读取简单且集成的二维位移测量方案。
发明内容
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置及方法，将光源模块产生的左旋或右旋圆偏振光分至不同衍射级；通过反射模块使得入射光两次经过超表面光栅调控，其出射光的两个正交偏振分量强度分别映射超表面相对于光轴的二维横向位移；通过探测模块测量出射光两个正交偏振的功率，对测量功率求解相位进而得到面内位移量。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置，包括光源模块、超表面光栅、反射模块和探测模块；
[0008] 所述的光源模块包括激光器、半波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第一声光调制器、第二声光调制器、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一非偏振分光棱镜、监测功率计；
[0009] 所述的反射模块包括依次排列的透镜、空间滤波片、第三反射镜；
[0010] 所述的探测模块包括第二非偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第一检偏器、第一测量功率计、第三四分之一波片、第二检偏器、第二测量功率计。
[0011] 进一步地，所述的超表面光栅将入射平行光衍射至多个衍射级，其中三个衍射级分别实现三种偏振的投影过程；所述的超表面光栅包括在透光基底上加工出纳米精度的、长短轴尺寸和长轴方向按照优化设计的结构参数制作的椭圆柱状颗粒阵列；所述的超表面光栅在二维横向移动过程中始终位于所述的透镜的焦平面上。
[0012] 进一步地，所述超表面光栅的超表面结构参数由优化算法得到，所述优化算法包括多参数梯度下降法。
[0013] 进一步地，所述超表面光栅的所述椭圆柱状颗粒的材料为金属或高折射率介质，包括金、银、硅、GaAs或TiO2。
[0014] 本发明还提供一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量方法，包括以下步骤：
[0015] 所述的光源模块中的激光器出射的线偏振平行光束经过半波片后线偏振方向旋转，再经过第一偏振分光棱镜，得到功率相等、偏振相互垂直的两路平行光；其透射光为p偏振，经过第一反射镜反射后经过第一声光调制器后由一级衍射出射；其反射光为s偏振，经过第二声光调制器后的一级衍射光经过第二反射镜反射；第一声光调制器和第二声光调制器均由射频信号源控制，快速交替切换两条光路开关状态；透射光和反射光由第二偏振分光棱镜在空间上合束；合束后的光经第一四分之一波片分别生成左旋和右旋圆偏振光，并照射到第一非偏振分光棱镜上；经所述的第一非偏振分光棱镜反射光照明到监测功率计上，得到监测功率 ，即 、 ，R表示右旋圆偏光入射，L表示左旋圆偏光入射；经所述的第一非偏振分光棱镜透射光照明到超表面光栅上；所述的超表面光栅将左旋或右旋偏振光映射至三个衍射级，三个衍射级偏振态分别为 、、，即振动方向与x轴夹角为0°、45°、90°的线偏振，在传播过程中分离进入所述的反射模块；
[0016] 经所述的反射模块中的所述的透镜偏折会聚，经空间滤波片、第三反射镜将调制后的光场以相同偏振态和入射角度反射回所述的超表面光栅上；
[0017] 所述的三束反射偏振光照射在所述的超表面光栅上，经超表面光栅衍射偏折回光轴后干涉，形成强度和偏振空间均匀分布的待测信号光出射；出射信号光经第一非偏振分光棱镜反射至所述的探测模块；
[0018] 所述的探测模块中的第二非偏振分光棱镜将信号光分成两路；经第二非偏振分光棱镜透射光经过第二四分之一波片、第一检偏器后由第一测量功率计接收，测得透射功率，即 和 ，H表示信号光水平偏振分量；经第二非偏振分光棱镜反射光经过第三四分之一波片、第二检偏器后由第二测量功率计接收，测得反射功率 ，即 和 ，V表示信号光垂直偏振分量；所述的第二四分之一波片和第三四分之一波片作用为补偿光路中的退偏效应；所述的第一检偏器主轴方向沿x方向；所述的第二检偏器主轴方向沿y方向；
[0019] 所述的透射功率 和反射功率 中扣除掉预先记录的无超表面时的背景噪声 ，消除环境光和光学元件表面反射光的影响；再与同时记录的监测功率计的监测功率 作比值，消除激光器的功率抖动的影响，再分离出左旋和右旋圆偏振光入射时的信号，并做归一化处理后得到归一化功率 、 、 和 ，分别为入射右旋圆偏光时的透射功率、入射左旋圆偏光时的透射功率、入射右旋圆偏光时的反射功率和入射左旋圆偏光时的反射功率；将 和 、 和 两组功率分别绘制出李萨如图并拟合得到相位差；带入相位差求解出相位后得到位移‑相位平面并拟合，得到相位斜率 和 ；
[0020] 移动所述的超表面光栅后重复上述步骤，通过第一测量功率计和第二测量功率计测量得到透射功率和反射功率，通过处理后得到新的归一化透射功率和反射功率 、、 和 并反解出相位，计算与起始位置之间的相位差，根据相位差与相位斜率的比值获得超表面光栅相对于起点的二维位移量。
[0021] 进一步地，每个衍射级实现一种设计的偏振的投影过程，其衍射方向与光轴夹角为 ，其中， 是激光器波长，Λ是x方向和y方向的结构周期。
[0022] 进一步地，所述的空间滤波片仅允许所述的三个衍射级通过，所述的空间滤波片由不透光材料制成。
[0023] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置和方法，基于超表面光栅两次对入射光的偏振分布调控，使得出射信号光的强度和偏振空间均匀分布，并对出射信号进行偏振投影得到测量功率。该方法具有高灵敏度，测量速度快，大量程等特点，能实现对纳米级二维位移的非接触式快速测量。
[0024] 本发明与现有技术相比的有益效果在于：
[0025] (1) 采用超表面结构作为传感器件，具有高度集成化特点，可在有高精度位移测量需求且空间有限的场景应用。
[0026] (2) 光路结构简单，无需成像系统，由超表面光栅进行偏振调控，将二维位移信息映射至信号光的两个正交偏振分量强度上，通过马吕斯定律测量强度即可得到二维位移量，光路简洁、测量快速。
[0027] (3) 通过切换入射光偏振态，可以获得多路相移信号，可实现大测量范围内无测量死区且高精度位移测量，实验证明该系统测量精度优于1 nm，测量量程大于100 μm。
附图说明
[0028] 图1为本发明实施例提供的基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置的结构示意图；
[0029] 图2为本发明实施例所用的超表面扫描电镜图；
[0030] 图3为本发明实施例右旋圆偏光入射时监测功率计监测激光器时间‑功率曲线图；
[0031] 图4为本发明实施例左旋圆偏光入射时监测功率计监测激光器时间‑功率曲线图；
[0032] 图5为本发明实施例第一测量功率计和第二测量功率计测量的位移‑功率图；
[0033] 图6为本发明实施例由测量功率还原的位移‑相位图。
[0034] 图中：1、激光器；2、半波片；3、第一偏振分光棱镜；4、第一反射镜；5、第一声光调制器；6、第二声光调制器；7、第二反射镜；8、第二偏振分光棱镜；9、第一四分之一波片；10、第一非偏振分光棱镜；11、监测功率计；12、超表面光栅；13、透镜；14、空间滤波片；15、第三反射镜；16、第二非偏振分光棱镜；17、第二四分之一波片；18、第一检偏器；19、第一测量功率计；20、第三四分之一波片；21、第二检偏器；22、第二测量功率计。
具体实施方式
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明实施例作进一步地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
[0036] 本发明的目的是提供一种基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置。本发明的基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置，其较佳的具体实施方式是：
[0037] 如图1所示，包括光源模块、超表面光栅12、反射模块和探测模块；其中，光源模块提供功率稳定偏振分布均匀的激光，超表面光栅12将两次调制激光偏振附加二维横向位移信息，反射模块将超表面透射光反射再次经过超表面调制，探测模块则通过多路测量得到四路相移信号功率，对测量结果计算得到被测二维位移量。
[0038] 其中，光源模块包括激光器1、半波片2、第一偏振分光棱镜3、第一反射镜4、第一声光调制器5、第二声光调制器6、第二反射镜7、第二偏振分光棱镜8、第一四分之一波片9，第一非偏振分光棱镜10、监测功率计11；反射模块包括依次排列的透镜13、空间滤波片14、第三反射镜15；探测模块包括第二非偏振分光棱镜16、第二四分之一波片17、第一检偏器18、第一测量功率计19、第三四分之一波片20、第二检偏器21、第二测量功率计22。
[0039] 超表面光栅12可将入射平行光衍射到(0,+1)、(0,‑1)和(+1,0)三个衍射级上，其分别对应 、 和 偏振态的偏振投影。该超表面光栅使用多参数梯度下降算法优化得到结构参数。
[0040] 该超表面光栅12使用电子束曝光、电感耦合等离子体刻蚀等加工技术在透光基底上使用硅材料加工出的纳米级厚度薄膜，并在薄膜上加工出纳米精度的、长短轴尺寸和长轴方向按照优化设计的结构参数制作的椭圆柱状颗粒阵列，图2展示了超表面结构的电镜图；该超表面光栅12在横向移动过程中始终位于透镜的焦平面上。
[0041] 激光器1出射的线偏振平行光束经过半波片2后偏振方向旋转，再经过第一偏振分光棱镜3，得到功率相等、偏振相互垂直的两路平行光；其透射光为p偏振，经过第一反射镜4和第一声光调制器5的一级衍射出射；其反射光为s偏振，经过第二声光调制器6的一级衍射和第二反射镜7反射；第一声光调制器5和第二声光调制器6均由射频信号源控制，快速交替切换两条光路开关状态；透射光和反射光由第二偏振分光棱镜8在空间上合束；合束后的光经第一四分之一波片9分别生成左旋和右旋圆偏振光，并照射到第一非偏振分光棱镜3上；经第一非偏振分光棱镜10反射光照明到监测功率计11上，得到监测功率 （即 、，R表示右旋圆偏光入射，L表示左旋圆偏光入射，下同），分别如图3和图4所示；经第一非偏振分光棱镜10透射光照明到超表面光栅12。
[0042] 超表面光栅12将左旋或右旋偏振光衍射至(0,+1)、(0,‑1)和(+1,0)三个衍射级，其衍射方向与光轴夹角为 ， 是激光器波长，Λ是x方向和y方向的结构周期。其分别对应 、 和 偏振态的偏振投影，在传播过程中分离进入所述的反射模块。
[0043] 在反射模块中，三个衍射级的光经透镜13偏折会聚，然后经空间滤波片14、第三反射镜15将调制后的光场以相同偏振态和入射角度反射回超表面光栅12上；其中空间滤波片14只允许所设计的三个衍射级通过，消除了直流成分和其他衍射级的干扰；
[0044] 三束反射回的偏振光照射在超表面光栅12上，经超表面光栅12衍射偏折回光轴后干涉，形成偏振空间均匀分布的待测信号光出射；其出射光的强度和偏振随着超表面在XY面内的二维位移量 变化。出射信号光经第一非偏振分光棱镜10反射至探测模块。
[0045] 探测模块中的第二非偏振分光棱镜16将信号光分成两路；其透射光经过第二四分之一波片17、第一检偏器18后由第一测量功率计19接收，测得透射功率 （即 和，H表示信号光水平偏振分量）；其反射光经过第三四分之一波片20、第二检偏器21后由第二测量功率计22接收，测得反射功率 （即 和 ，V表示信号光垂直偏振分量）；其中第二四分之一波片17和第三四分之一波片20的作用为补偿光路中的退偏效应；第一检偏器18主轴方向沿x方向；第二检偏器21主轴方向沿y方向。
[0046] 信号功率 和 中扣除掉预先记录的无超表面时的背景噪声 ，消除环境光和光学元件表面反射光的影响；再与同时记录的监测功率计11的监测功率（即 和 ）作比值，消除激光器1的功率抖动的影响，再分离出左旋和右旋圆偏振光入射时的信号，并做归一化处理后得到归一化的信号功率 、 、 和 ，如图5所示；
此时的信号功率可以表示为：
[0047] ，
[0048] ，
[0049] 其中， 、 为相位项，为相位斜率， , 是超表面光栅的二维位移量，Λ是超表面光栅
x方向和y方向的结构周期。将超表面光栅12以100 nm步长做光栅式扫描，得到的 和、 和 两组强度分别绘制出李萨如图并拟合得到相位差；带入相位差求解出相位后得到位移‑相位平面并拟合，得到相位斜率 和 ，如图6所示；
[0050] 移动超表面光栅12后重复上述步骤，通过第一测量功率计19和第二测量功率计22测量得到透射功率和反射功率，通过处理后得到新的归一化功率 、 、 和并反解出相位，计算与起始位置之间的相位差，根据相位差与相位斜率的比值获得超表面光栅12相对于起点的二维位移量。
[0051] 本发明的基于超表面光栅的纳米级二维位移测量装置和方法，通过超表面两次偏振调控得到强度和偏振态均在空间均匀分布的信号光，使得信号光两个正交偏振分量强度分别映射二维位移信息，通过马吕斯定律测量功率，实现了对纳米级二维位移的非接触式快速测量。该方法具有高灵敏度，快速测量，大量程等特点。
[0052] 本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
