六自由度測量中的二維檢測關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、在光刻機(jī)制造中,工件臺是關(guān)鍵部件之一。工件臺的六自由度測量由多軸雙頻激光干涉儀完成,而在干涉儀工作前必須為其提供絕對參考零位,故而需要一種快速有效的六自由度測量方法來提供該零位。目前的六自由度測量方法中,三坐標(biāo)測量法須將工件臺放置在坐標(biāo)機(jī)上測量,無法滿足在線測量的要求;基于圖像處理的測量方法受攝像機(jī)尺寸限制,很難完成小范圍測量;超聲波測量法主要適用于工業(yè)測量領(lǐng)域,其精度較低;全息技術(shù)法同樣存在安裝困難等問題;光斑位置檢測法能夠完成動態(tài)、

2、大范圍或小范圍測量,因此該方法最適合本課題使用。
　　在光斑檢測法基礎(chǔ)上,提出了一種簡便、快速的六自由度測量方法,該方法以二維PSD為測量元件,以角錐棱鏡為敏感元件,具有結(jié)構(gòu)簡單、效果好、測量精度高、范圍大,適于靜態(tài)和動態(tài)測量等特點。本課題完成的主要工作如下:
　　(1)建立了上述六自由度測量方法的數(shù)學(xué)模型,通過三組PSD和角錐棱鏡構(gòu)成的二維檢測系統(tǒng)共測得六維信息,然后利用模型矩陣轉(zhuǎn)換后即得到工件臺的六自由度信息。研究分析表

3、明,基于PSD和角錐棱鏡的二維檢測是上述方法的關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)一步的通過測量模型解算得出上述二維檢測的指標(biāo)要求。
　　(2)分析了上述二維檢測中所有可能存在的誤差,從測量環(huán)節(jié)考慮,誤差來源于光源部分、角錐棱鏡部分和PSD測量部分,其中PSD的安裝誤差和光源的漂移誤差對測量最為不利。針對PSD的安裝誤差,提出了一種以光源出射光為基準(zhǔn)、利用五棱鏡和二維靶標(biāo)校正PSD安裝誤差的方法,理論分析表明,該方法能夠控制PSD安裝誤差不大于39.38

4、′,由PSD安裝誤差造成的測量誤差減小到0.0164μm。針對激光漂移的誤差,提出了一種雙路激光漂移差補(bǔ)的方法,通過參考光路監(jiān)測激光的漂移量,并利用誤差模型將該漂移量經(jīng)過轉(zhuǎn)換后補(bǔ)償?shù)綔y量結(jié)果中,理論分析表明,使用該方法后可以使漂移引起的測量誤差減少90.2％以上。
　　(3)完成了上述二維檢測系統(tǒng)的全部設(shè)計工作,具體包括光學(xué)器件選型、電路、軟件和相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計等;搭建了實驗平臺,設(shè)計了相應(yīng)的實驗方案,對上述二維檢測系統(tǒng)進(jìn)行了大

5、量的相關(guān)實驗。
　　實驗結(jié)果顯示,經(jīng)過雙路補(bǔ)償后8小時的X軸和Y軸的漂移量分別減少55.1%和73.3%;在全量程±250μm范圍內(nèi),X軸和Y軸的非線性誤差分別為0.2%F.S.和0.22%F.S.;X軸和Y軸的分辨力均能達(dá)到45nm;X軸測得的重復(fù)性誤差為23.3nm,Y軸測得的重復(fù)性誤差為19.1nm;間接動態(tài)實驗驗證了系統(tǒng)的頻響優(yōu)于8kHz。上述實驗結(jié)果表明,本課題設(shè)計的基于PSD和角錐棱鏡的二維檢測系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)