超精细高速激光干与位移丈量技能与仪器

　　针对微电子光刻机等高端配备中提出的超精细、高速位移丈量需求，哈尔滨工业大学深化探究了传统的共 光路外差激光干与丈量办法和新一代的非共光路外差激光干与丈量办法，并在高精度激光稳频、光学非线性差错 精准按捺、高速高分辨力干与信号处理等多项要害技能方面获得继续打破，研制了系列超精细高速激光干与仪，激 光真空波长相对准确度最高达 9. 6×10-10，位移分辨力为 0. 077 nm，光学非线 pm，最大丈量速度 为 5. 37 m/s。现在该系列仪器已成功使用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和功能测 试范畴，为我国光刻机等高端配备展开供给了要害技能支撑和重要丈量手法。

　　激光干与位移丈量（DMLI）技能是一种以激光 波长为标尺，经过干与光斑的频率、相位改变来感知位移信息的丈量技能。因具有非触摸、高精度、高动 态、丈量成果可直接溯源等特色，DMLI 技能和仪器被广泛使用于资料几许特性表征、精细传感器标定、 精细运动测验与高端配备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端配备中嵌入的超精细高速激光干与仪，已成为支撑配备到达极限作业精度和作业效率的前提条件和重要保障。以现在的干流光刻机为例，其内部一般集成有 6 轴至 22 轴以上的超精细高速激光干与仪，来实时丈量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度方位和姿势信息。依据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求，现在对激光干与的位移丈量精度需求从数十纳米至数纳米，并将进一步打破至原子标准即亚纳米量级；而位移丈量速度需求，则从数百毫米每秒到数米每秒。

　　对 DMLI 技能和仪器而言，影响其丈量精度和丈量速度提高的首要瓶颈包含激光干与丈量的办法原理、干与光源/干与镜组/干与信号处理卡等仪器要害单元特性以及实践丈量环境的稳定性。环绕光刻机等高端配备提出的超精细高速丈量需求，以美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司为代表的世界激光干与仪企业和研制组织，长时间在高精度激光稳频、高精度多轴干与镜组、高速高分辨力干与信号处理等方面继续攻关并获得不断打破， 已可满意当时干流光刻机的位移丈量需求。可是， 一方面，上述超精细高速激光干与丈量技能和仪器 已被列入有关国家的出口控制清单，不能广泛地支撑我国当时的光刻机研制出产需求；另一方面，上述技能和仪器并不能彻底满意国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移丈量需求。

　　针对我国光刻机等高端配备研制的火急需求， 哈尔滨工业大学先后探究了传统的共光路双频激光干与丈量办法和新一代的非共光路双频激光干与丈量办法，并在高精度激光稳频、光学非线性差错精 准按捺、高速高分辨力干与信号处理等要害技能方 面获得继续打破，研制了系列超精细高速激光干与 仪，可在数米每秒的高测速下完结亚纳米级的高分辨力高精度位移丈量，已成功使用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和功能测验范畴。该技能和仪器不只直接为我国当时微电子光刻机研制出产供给了要害技能支撑和中心 丈量手法，并且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研制供给重要的共性技能储备。

　　共光路多轴干与镜组由双频激光共轴输入，具有抗环境搅扰能力强的长处，是空间束缚前提下用于被测方针方位/姿势同步精准丈量不可或缺的技能途径，并且是光刻机定位体系精度的确保。该类干与镜组规划难点在于，经过杂乱光路中丈量臂和参阅臂的光路平衡规划确保干与镜组的热稳定性，并经过无偏分光技能和自主规划的光束平行性丈量体系，确保偏振正交的双频激光在入射分光及屡次反射/折射后的高度平行性

　　［19- 20］。现在本课题组研制的 5 轴干与镜组（图 11） 可完结热稳定性小于 10 nm/K、光学非线 nm 以及恣意两束光的平行性小于 8″，与国 际干流产品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″适当。

　　图 11.自主研制的共光路多轴干与镜组。（a）典型镜组的3D规划图；（b）实物图

　　非共光路干与镜组在传统共光路镜组的根底上， 经过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠，优化了纳米量级的光学非线 年，本课题组提出了一种非共光路干与镜组结构［2，21］，详细结构如图 12 所示，测验可得该干与镜组的光学非 线 pm。并进一步发现根据多阶多普勒 虚反射的光学非线性差错源，建立了根据虚反射光迹精准规划的干与镜组光学非线性优化算法，改善并规划了光学非线 pm 的非共光路干与镜组［2-3］，并经过双层干与光路结构对称规划确保热稳定性小于 2 nm/K［22- 25］

　　图 12.自主规划的非共光路多轴干与镜组。（a）典型镜组的3D规划图；（b）实物图

　　根据上述高精度激光稳频、光学非线性差错精准按捺、高速高分辨力干与信号处理等多项要害技 术，本课题组研制了系列超精细高速激光干与仪 （图 17），其激光线. 077 nm，最低光学非线 pm，最大丈量速度为 5. 37 m/s（表 2）。并成功使用于上海微电子配备（集团）股份有限公司 （SMEE）、我国计量科学研讨院（NIM）、德国联邦物理技能研讨院（PTB）等十余家单位 ，在国产光刻机、国家级计量基准设备等高端配备的研制中发挥

　　图 17.自主研制的系列超精细高速激光干与仪实物图。（a）20轴以上超精细高速激光干与仪；（b）单轴亚纳米级激光干与仪；（c）三轴亚纳米级激光干与仪

　　在国产光刻机研制方面，多轴高速超精细激光 干与仪是嵌入光刻机并决议其光刻精度的中心单元之一。可是，一方面欧美国家在瓦森纳协议中明确规定了该类干与仪产品对我国严厉禁运；另一方面该类仪器技能杂乱、难度极大，我国一向未能完好把握，这严峻限制了国产光刻机的研制和出产。 为此，本课题组研制了系列超精细高速激光干与丈量体系，已成功使用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和功能测验范畴，典型使用如图 18 所示，其各项要害目标均满意国产先进光刻机研制需求，打破了国外相关产品对我国 的禁运封闭，在国产光刻机研制中发挥了重要效果。在所使用的光刻机中，干与仪的丈量轴数可达 22 轴以上，最大丈量速度可达 5. 37 m/s，激光真空 波 长/频 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 学 非 线 性 误 差 最 低 为 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴（3~5 mK@ 10 min）和隔振环境，可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步丈量与解耦，以满意掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益杂乱的相对方位/姿势丈量需求，从而确保光刻机全体套刻精度。

　　在国家级计量基准设备研制方面，怎么使用根本物理常数对质量单位千克进行从头界说，被世界闻名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在我国计量科学研讨院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，要害点之一便是使用超精细激光干与仪完结高准确度的长度丈量，其要求肯定丈量精度到达 1 nm 以内。为此，本课题组研制了国内首套亚纳米激光干与仪，并成功使用于我国首套量子化质量基准设备（图 19），在量子化质量基准中 国方案的施行中起到了要害效果，并推进我国成为第一批成功参与千克复现世界比对的六个国家之一

　　。为到达亚纳米级丈量精度，除了精细的隔振与温控环境以外，该激光干与仪必须在真空环境 下进行丈量以扫除空气折射率对激光波长的影响， 其丈量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外，为了完结对被测目标的姿势监测，该干与仪的丈量轴 数到达了 9 轴。

　　近年来，跟着高端配备制作、精细计量和大科学设备等精细工程范畴技能的迅猛展开，光刻机等高端制作配备、能量天平等量子化计量基准设备、 空间引力波勘探等严重科学工程对激光干与丈量技能提出了从纳米到亚纳米乃至皮米量级精度的 严重应战。对此，本课题组在超精细激光干与丈量办法、要害技能和仪器工程方面获得了系列打破性开展，下一步的研讨要点首要包含以下 3 个方面：

　　1）环绕下一代极紫外光刻机的超精细高速激光干与仪的研制与使用。鄙人一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动规模、运动精度和运动速度将进一步提高，将要求在大量程、6 自由度杂乱耦合、高速运动条件下完结 0. 1 nm 及以下的位移丈量精度，对激光干与仪的研制提出严峻应战；极紫外光刻机选用真空作业环境，可减小空气气流动摇和空气折射率引进的丈量差错，一起也使整个丈量体系结构针对空气- 真空适应性规划的杂乱性大幅度添加。

　　2）皮米激光干与仪的研制与世界比对。2021年， 国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基 金会（DFG）一起同意了中德协作项目“皮米级多轴 超精细激光丈量办法、要害技能与比对测验”（2021 至 2023 年）。该项目由本课题组与德国联邦物理技能研讨院（PTB）协作完结，估计将别离研制下一代皮米级精度激光干与仪，并进行世界规模内的直接 比对。

　　地上引力波勘探获诺贝尔物理学奖后，各国纷繁展开了空间引力波勘探方案，这些引力波勘探器实质上便是巨型的超精细激光干与仪。其间，我国的空间引力波勘探方案，将凭借激光干与仪在数百万公里间隔标准上，完结皮米精度的超精细丈量，本课题组在引力波国家要点研制技能项目的支撑下，将连续展开卫星-卫星之间和卫星-渠道质量块之间皮米级激光干与仪的规划和研讨，特别是皮米级非线性完结和皮米干与仪测验比对的作业，预期可对空间引力波勘探起到活跃的支撑效果。本课题组在超精细激光干与丈量技能与仪器范畴有超越20年的研讨根底，建成了一支可以彻底

　　知识产权的研讨团队，并且在研讨过程中得到了12项国家自然科学基金、2项国家科技严重专项、2项国家要点研制方案等项目的支撑，建成了超精细激光丈量仪器技能研制渠道和产业化渠道，开发了系列超精细激光干与丈量仪，在国产先进光刻机研制、我国量子化质量基准设备等场合成功使用，推进了我国微电子光刻机等高端配备范畴的展开，并将经过进一步研制，为我国下一代极紫外光刻机研制、空间引力波勘探、皮米激光干与仪世界比对供给支撑。全文详见：超精细高速激光干与位移丈量技能与仪器.pdf

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