超精密高速激光干涉位移测量技術與仪器

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超紧密高速激光干與位移丈量技能與仪器 

杨宏兴 1，2，付海金 1，2，胡鹏程 1，2*，杨睿韬 1，2，邢旭 1，2，于亮 1，2，常笛 1，2，谭久彬 1，2

1 哈尔滨工業大學超紧密光電仪器工程钻研所，黑龍江 哈尔滨 150080；

2 哈尔滨工業大學超紧密仪器技能及智能化工業和信息化部重點实行室，黑龍江 哈尔滨 150080

擇要 针對微電子光刻機等高端设备中提出的超紧密、高速位移丈量需求，哈尔滨工業大學深刻摸索了傳統的共 光路外差激光干與丈量法子和新一代的非共光路外差激光干與丈量法子，并在高精度激光稳頻、光學非線性偏差 精准按捺、高速高辨别力干與旌旗灯号处置等多項關头技能方面获得延续冲破，研制了系列超紧密高速激光干與仪，激 光真空波长相瞄准确度最高达 9. 6×10-10，位移辨别力為 0. 077 nm，光學非線性偏差最低為 13 pm，最大丈量速率 為 5. 37 m/s。今朝该系列仪器已樂成利用于我國 350 nm 至 28 nm 多個工藝節點的光刻機样機集成研制和機能测 试范畴，為我國光刻機等高端设备成长供给了關头技能支持和首要丈量手腕。

關头词 光學设计與制造；激光干與；超紧密高速位移丈量

引 言 

激光干與位移丈量（DMLI）技能是一種以激光 波长為標尺，經由過程干與光斑的頻率、相位變革来感知位移信息的丈量技能。因具备非接触、高精度、高動 態、丈量成果可直接溯源等特色，DMLI 技能和仪器被遍及利用于質料几何特征表征、紧密傳感器標定、 紧密活動测试與高端设备集成等場所。出格是在微電子光刻機等高端设备中嵌入的超紧密高速激光干與仪，已成為支持设备告竣极限事情精度和事情效力的条件前提和首要保障。以今朝的主流光刻機為例，其内部凡是集成有 6 轴至 22 轴以上的超紧密高速激光干與仪，来及時丈量高速活動的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿態信息。按照光刻機套刻精度、產率等分歧特征請求，今朝對激光干與的位移丈量精度需求從数十纳米至数纳米，并将進一步冲破至原子標准即亚纳米量级；而位移丈量速率需求，则從数百毫米每秒到数米每秒。

對 DMLI 技能和仪器而言，影响其丈量精度和丈量速率晋升的重要瓶颈包含激光干與丈量的法子道理、干與光源/干與镜组/干與旌旗灯号处置卡等仪器關头单位特征和現实丈量情况的不乱性。环抱光刻機等高端设备提出的超紧密高速丈量需求，以美國 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司為代表的國際激光干與仪企業和研發機構，持久在高精度激光稳頻、高精度多轴干與镜组、高速高辨别力干與旌旗灯号处置等方面延续攻關并获得不竭冲破， 已可知足當前主流光刻機的位移丈量需求。但電動挖耳勺，是， 一方面，上述超紧密高速激光干與丈量技能和仪器 已被列入有關國度的出口管束清单，不克不及遍及地支持我國當前的光刻機研產生產需求；另外一方面，上述技能和仪器其实不能彻底知足國表里下一代光刻機研 發所提出的更精准、更高速的位移丈量需求。

针對我國光刻機等高端设备研發的急迫需求， 哈尔滨工業大學前後摸索了傳統的共光路雙頻激光干與丈量法子和新一代的非共光路雙頻激光干與丈量法子，并在高精度激光稳頻、光學非線性偏差精 准按捺、高速高辨别力干與旌旗灯号处置等關头技能方 面获得延续冲破，研制了系列超紧密高速激光干與 仪，可在数米每秒的高测速下实現亚纳米级的高辨别力高精度位移丈量，已樂成利用于我國 350 nm 至 28 nm 多個工藝節點的光刻機样機集成研制和機能测试范畴。该技能和仪器不但直接為我國當前微電子光刻機研產生產供给了關头技能支持和焦點 丈量手腕，并且還可為我國 7 nm 及如下節點光刻機研發供给首要的共性技能储蓄。

高精度干與镜组设计與研制 

高精度干與镜组的 3 個焦點指標包含光學非線性、热不乱性和光轴平行性，本课題组摩飛便攜榨汁桶，环抱這 3 個焦點指標（出格是光學非線性）设计并研制了先後两代镜组。

共光路多轴干與镜组

共光路多轴干與镜组由雙頻激光共轴输入，具有抗情况滋扰能力强的长处，是空間束缚条件下用于被测方针位置/姿態同步精准丈量不成或缺的技能路子，而且是光刻機定位體系精度的包管。该類干與镜组设计難點在于，經由過程繁杂光路中丈量臂和参考臂的光路均衡设计包管干與镜组的热不乱性，并經由過程無偏分光技能和自立设计的光束平行性丈量體系，包管偏振正交的雙頻激光在入射分光及屡次反射/折射後的高度平行性［19- 20］。今朝本课題组研制的 5 轴干與镜组（圖 11） 可实現热不乱性小于 10 隱形矯姿帶,nm/K、光學非線性偏差小于 1 nm 和肆意两束光的平行性小于 8″，與國 際主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″至關。

非共光路干與镜组

非共光路干與镜组在傳总共光路镜组的根本上， 經由過程雙頻激光非共轴傳输防止了雙頻激光的頻率混叠，優化了纳米量级的光學非線性偏差。2014 年，本课題组提出了一種非共光路干與镜组布局［2，21］，详细布局如圖 12 所示，测试可得该干與镜组的光學非 線性偏差為 33 pm。并進一步發明基于多阶多普勒 虚反射的光學非線性偏差源，創建了基于虚反射光迹精准计劃的干與镜组光學非線性優化算法，改良并设计了光學非線性偏差小于 13 pm 的非共光路干與镜组［2-3］，并經由過程雙层干與光路布局對称设计包管热不乱性小于 2 nm/K［22- 25］。同時，本课題组也采纳多光纤高精度平行分光，冲破了共光路多轴干與镜组棱镜组逐级多轴平行分光，导致光轴之間的平行度偏差 逐级累加的固有問題，包管多光纤准直器输出光肆意 两個光束之間的平行度均小于 5″。

基于上述高精度激光稳頻、光學非線性偏差精准按捺、高速高辨别力干與旌旗灯号处置等多項關头技 術，本课題组研制了系列超紧密高速激光干與仪 （圖 17），其激光真空波长正确度最高达 9. 6×10-10 （k=3），位移辨别力為 0. 077 nm，最低光學非線性偏差為 13 pm，最大丈量速率為 5. 37 m/s（表 2）。并樂成利用于上海微電子设备（團體）股分有限公司 （SMEE）、中國计量科學钻研院（NIM）、德國联邦物理技能钻研院（PTB）等十余家单元 ，在國產光刻機、國度级计量基准装配等高端设备的研制中阐扬了關头感化。

超紧密激光干與仪在紧密工程中的現实丈量， 不但磨练仪器的研制程度，更磨练仪器的利用水 平，如繁杂體系中的多轴同步丈量，亚纳米甚至皮 米量级新偏差源的發明與处置，高程度的温控與隔 振情况等。下面重要先容超紧密激光干與仪的几 個典范利用。

國產光刻機研制：多轴高速超紧密激光干與仪 

在國產光刻機研制方面，多轴高速超紧密激光 干與仪是嵌入光刻機并决议其光刻精度的焦點单位之一。可是，一方面泰西國度在瓦森纳协议中明白劃定了该類干與仪產物對我國严酷禁運；另外一方面该類仪器技能繁杂、難度极大，我國一向未能完备把握，這紧张制约了國產光刻機的研制和出產。 為此，本课題组研制了系列超紧密高速激光干與丈量體系，已樂成利用于我國 350 nm 至 28 nm 多個工藝節點的光刻機样機集成研制和機能测试范畴，典范利用如圖 18 所示，其各項關头指標均知足國產先辈光刻機研發需求，冲破了國皮毛關產物對我國 的禁運封闭，在國產光刻機研制中阐扬了首要感化。在所利用的光刻機中，干與仪的丈量轴数可达 22 轴以上，最大丈量速率可达 5. 37 m/s，激光真空 波 长/頻 率 准 确 度 最 高 可 达 9. 6×10−10（k=3），位 移 分 辨 力 可 达 0. 077 nm，光 學 非 線 性 误 差 最 低 為 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴（3~5 mK@ 10 min）和隔振情况，可以對光刻機中雙工件台的多维活動举行線位移、角位移同步丈量與解耦，以知足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之間日趋繁杂的相對于位置/姿態丈量需求，進而包管光刻機总體套刻精度。

國度级计量基准装配研制：亚纳米精度激光干與仪 

在國度级计量基准装配研制方面，若何操纵根基物理常数對证量单元公斤举行從新界说，被國際知论理學術期刊《Nature》评為比年下世界六大科學困難之一。在中國计量科學钻研院张钟華院士提出的“能量天平”方案中，關头點之一即是操纵超紧密激光干與仪实現高正确度的长度丈量，其請求绝對丈量精度到达 1 nm 之内。為此，本课題组研制了海内首套亚纳米激光干與仪，并樂成利用于我國首套量子化質量基准装配（圖 19），在量子化質量基准中 國方案的施行中起到了關头感化，并鞭策我國成為首日本女優,批樂成加入公斤复現國際比對的六個國度之一［30- 32］。為到达亚纳米级丈量精度，除紧密的隔振與温控情况之外，该激光干與仪必需在真空情况 下举行丈量以解除氛围折射率對激光波长的影响， 其丈量不肯定度可达 0. 54 nm @100 妹妹。别的，為了实現對被测工具的姿態监测，该干與仪的丈量轴 数到达了 9 轴。

结论 

比年来，跟着高端设备制造、紧密计量和大科學装配等紧密工程范畴技能的迅猛成长，光刻機等高端制造设备、能量天同等量子化计量基准装配、 空間引力波探测等重大科學工程對激光干與丈量技能提出了從纳米到亚纳米乃至皮米量级精度的 重大挑战。對此，本课題组在超紧密激光干與丈量法子、關头技能和仪器工程方面取患了系列冲破性希望，下一步的钻研重點重要包含如下 3 個方面：

1）环抱下一代极紫外光刻機的超紧密高速激光干與仪的研制與利用。鄙人一代极紫外光刻機中，其移開工件台活動范畴、活動精度和活動速率将進一步晋升，将請求在大量程、6 自由度繁杂耦合、高速活動前提下实現 0. 1 nm 及如下的位移丈量精度，對激光干與仪的研發提出严重挑战；极紫外光刻機采纳真空事情情况，可減小氛围气流颠簸和氛围折射率引入的丈量偏差，同時也使驗部丈量體系布局针對氛围- 真空顺應性设计的繁杂性大幅度增长。

2）皮米激光干與仪的研制與國際比對。2021年， 國度天然科學基金委員會（NSFC）结合德國科學基 金會（DFG）配合核准了中德互助項目“皮米级多轴 超紧密激光丈量法子、關头技能與比對测试”（2021 至 2023 年）。该項目由本课題组與德國联邦物理技能钻研院（PTB）互助完成，估计将别离研制下一代皮米级精度激光干與仪，并举行國際范畴内的直接 比對。

3）空間引力波探测。继 2017 年美國 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理學奖後，列國纷繁展開了空間引力波探测規劃，這些引力波探测器本色上就是巨型的超紧密激光干與仪。此中，中國的空間引力波探测規劃，将借助激光干與仪在数百万千米間隔標准上，实現皮米精度的超紧密丈量，本课題组在引力波國度重點研發技能項目標支撑下，将陸 续展開衛星- 衛星之間和衛星- 平台質量块之間皮米级激光干與仪的设计和钻研，出格是皮米级非線性实現和皮米干與仪测试比對的事情，預期可對空間引力波探测起到踊跃的支持感化。

本课題组在超紧密激光干與丈量技能與仪器范畴有跨越 20 年的钻研根本，建成為了一支可以或许彻底自立開辟驗数激光干與仪焦點部件、具有完备自立常識產权的钻研團队，而且在钻研進程中获得了 12 項國度天然科學基金、2 項國度科技重大專項、2 項 國度重點研發規劃等項目標支撑，建成為了超紧密激光丈量仪器技能研發平台和財產化平台，開辟了系列超紧密激光干與丈量仪，在國產先辈光刻機研發、我國量子化質量基准装配等場所樂成利用，鞭策了我國微電子光刻機等高端设备范畴的成长，并将經由過程進一步研發，為我國下一化痰茶,代极紫外光刻機研 發、空間引力波探测、皮米激光干與仪國際比對供给支持。

驗文详見：超紧密高速激光干與位移丈量技能與仪器.pdf