激光仪器

1月3日消息，莱赛激光科技股份有限公司(以下简称：莱赛激光)已于近日正式申请新三板挂牌，全国股转系统披露的挂牌资料显示，莱赛激光董事长陆建红、副董事长张敏俐2人，通过直接和间接合计占股72%，为莱赛激光共同实际控制人。　　公告显示，莱赛激光2014年度、2015年度、2016年1-9月营业收入分别为1.11亿元、9961.31万元、8212.80万元 净利润分别为546.37万元、678.32万元、791.14万元。　　资料显示，莱赛激光主要业务为激光测量仪器设备的研发、生产和销售，主要为客户提供激光测量的整体解决方案。

超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器 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 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求，哈尔滨工业大学深入探索了传统的共 光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差 精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉仪，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，光学非线性误差最低为 13 pm，最大测量速度 为 5. 37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测 试领域，为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。 关键词 光学设计与制造；激光干涉；超精密高速位移测量引 言 激光干涉位移测量（DMLI）技术是一种以激光 波长为标尺，通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术。因具有非接触、高精度、高动 态、测量结果可直接溯源等特点，DMLI 技术和仪器被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、 精密运动测试与高端装备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。以目前的主流光刻机为例，其内部通常集成有 6 轴至 22 轴以上的超精密高速激光干涉仪，来实时测量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿态信息。根据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求，目前对激光干涉的位移测量精度需求从数十纳米至数纳米，并将进一步突破至原子尺度即亚纳米量级；而位移测量速度需求，则从数百毫米每秒到数米每秒。 对 DMLI 技术和仪器而言，影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。围绕光刻机等高端装备提出的超精密高速测量需求，以美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司为代表的国际激光干涉仪企业和研发机构，长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破， 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。然而， 一方面，上述超精密高速激光干涉测量技术和仪器 已被列入有关国家的出口管制清单，不能广泛地支撑我国当前的光刻机研发生产需求；另一方面，上述技术和仪器并不能完全满足国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移测量需求。 针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求， 哈尔滨工业大学先后探索了传统的共光路双频激光干涉测量方法和新一代的非共光路双频激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差精 准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方 面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉 仪，可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高分辨力高精度位移测量，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心 测量手段，而且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。高精度干涉镜组设计与研制 高精度干涉镜组的 3 个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性，本课题组围绕这 3 个核心指标（特别是光学非线性）设计并研制了前后两代镜组。 共光路多轴干涉镜组共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入，具备抗环境干扰能力强的优点，是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径，并且是光刻机定位系统精度的保证。该类干涉镜组设计难点在于，通过复杂光路中测量臂和参考臂的光路平衡设计保证干涉镜组的热稳定性，并通过无偏分光技术和自主设计的光束平行性测量系统，保证偏振正交的双频激光在入射分光及多次反射/折射后的高度平行性［19- 20］。目前本课题组研制的 5 轴干涉镜组（图 11） 可实现热稳定性小于 10 nm/K、光学非线性误差小于 1 nm 以及任意两束光的平行性小于 8″，与国 际主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″相当。 图 11. 自主研制的共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图非共光路干涉镜组 非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上， 通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性误差。2014 年，本课题组提出了一种非共光路干涉镜组结构［2，21］，具体结构如图 12 所示，测试可得该干涉镜组的光学非 线性误差为 33 pm。并进一步发现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性误差源，建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法，改进并设计了光学非线性误差小于 13 pm 的非共光路干涉镜组［2-3］，并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于 2 nm/K［22- 25］。同时，本课题组也采用多光纤高精度平行分光，突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光，致使光轴之间的平行度误差 逐级累加的固有问题，保证多光纤准直器输出光任意 两个光束之间的平行度均小于 5″。 图 12. 自主设计的非共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技 术，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉仪 （图 17），其激光真空波长准确度最高达 9. 6×10-10 （k=3），位移分辨力为 0. 077 nm，最低光学非线性误差为 13 pm，最大测量速度为 5. 37 m/s（表 2）。并成功应用于上海微电子装备（集团）股份有限公司 （SMEE）、中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等十余家单位 ，在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。 图 17. 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。（a）20轴以上超精密高速激光干涉仪；（b）单轴亚纳米级激光干涉仪；（c）三轴亚纳米级激光干涉仪超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量， 不仅考验仪器的研制水平，更考验仪器的应用水 平，如复杂系统中的多轴同步测量，亚纳米乃至皮 米量级新误差源的发现与处理，高水平的温控与隔 振环境等。下面主要介绍超精密激光干涉仪的几 个典型应用。 国产光刻机研制：多轴高速超精密激光干涉仪 在国产光刻机研制方面，多轴高速超精密激光 干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是，一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运；另一方面该类仪器技术复杂、难度极大，我国一直未能完整掌握，这严重制约了国产光刻机的研制和生产。 为此，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉测量系统，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域，典型应用如图 18 所示，其各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求，打破了国外相关产品对我国 的禁运封锁，在国产光刻机研制中发挥了重要作用。在所应用的光刻机中，干涉仪的测量轴数可达 22 轴以上，最大测量速度可达 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、角位移同步测量与解耦，以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求，进而保证光刻机整体套刻精度。图 18. 超精密高速激光干涉测量系统在光刻机中的应用原理及现场照片国家级计量基准装置研制：亚纳米精度激光干涉仪 在国家级计量基准装置研制方面，如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义，被国际知名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量，其要求绝对测量精度达到 1 nm 以内。为此，本课题组研制了国内首套亚纳米激光干涉仪，并成功应用于我国首套量子化质量基准装置（图 19），在量子化质量基准中 国方案的实施中起到了关键作用，并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一［30- 32］。为达到亚纳米级测量精度，除了精密的隔振与温控环境以外，该激光干涉仪必须在真空环境 下进行测量以排除空气折射率对激光波长的影响， 其测量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外，为了实现对被测对象的姿态监测，该干涉仪的测量轴 数达到了 9 轴。图 19. 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪 结论 近年来，随着高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域技术的迅猛发展，光刻机等高端制造装备、能量天平等量子化计量基准装置、 空间引力波探测等重大科学工程对激光干涉测量技术提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 重大挑战。对此，本课题组在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展，下一步的研究重点主要包括以下 3 个方面： 1）围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升，将要求在大量程、6 自由度复杂耦合、高速运动条件下实现 0. 1 nm 及以下的位移测量精度，对激光干涉仪的研发提出严峻挑战；极紫外光刻机采用真空工作环境，可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差，同时也使整个测量系统结构针对空气- 真空适应性设计的复杂性大幅度增加。2）皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年， 国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基 金会（DFG）共同批准了中德合作项目“皮米级多轴 超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”（2021 至 2023 年）。该项目由本课题组与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成，预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪，并进行国际范围内的直接 比对。3）空间引力波探测。继 2017 年美国 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后，各国纷纷开展了空间引力波探测计划，这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中，中国的空间引力波探测计划，将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上，实现皮米精度的超精密测量，本课题组在引力波国家重点研发技术项目的支持下，将陆 续开展卫星- 卫星之间和卫星- 平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究，特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作，预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。本课题组在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过 20 年的研究基础，建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队，并且在研究过程中得到了 12 项国家自然科学基金、2 项国家科技重大专项、2 项 国家重点研发计划等项目的支持，建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台，开发了系列超精密激光干涉测量仪，在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用，推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展，并将通过进一步研发，为我国下一代极紫外光刻机研 发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。全文详见：超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器.pdf

3月1日上午，国家重大科学仪器设备开发专项——“超小型激光加速器及关键技术研究”项目启动会在北京大学中关新园举行，宣布项目正式启动。　　国家科技部条财司副司长吴学梯，国家教育部科技司副司长雷朝滋，国家科技部条财司副处长郑健，国家教育部科技司基础处副处长邹晖，北京大学常务副校长王恩哥，中国工程物理研究院院士杜祥琬，中国工程物理研究院院士贺贤土，北京大学原校长陈佳洱，物理学院院长谢心澄，科研部部长周辉，科研部副部长韦宇，实验室与设备部副部长黄凯，财务部副部长邵莉，物理学院副院长王宇钢和北京大学重离子物理研究所所长刘克新等出席了项目启动会。　　“国家重大科学仪器设备开发专项”于2011年首次启动，强调面向市场、面向应用、面向产业化，重点支持具有市场推广前景的重大科学仪器设备开发。“超小型激光加速器及关键技术研究”是2012年获批的66项课题之一。　　王恩哥首先对各位领导和专家出席会议表示感谢。他在发言中指出，现代科学技术的发展越来越依赖于以理论为基础的科学仪器的开发。颜学庆老师领导的团队，在陈佳洱院士等诸位专家的支持和指导下，提出具有自主产权的、超小型激光加速器的研究，有望实现超大型激光加速器在尺寸上的缩小，这是一个巨大的突破。他同时还指出，科学仪器的开发不同于基础研究，不仅需要优秀的科研力量，还需要做好统筹、攻关等各个方面的工作。因此，北大在科技部的要求下，协同研发团队，成立了项目总体组，技术专家组和用户委员会，在空间和人员上都给予了大力支持，为的是确保项目顺利进行，早日取得研发成果，服务于相关产业，促进国家的经济建设。　　吴学梯在表示祝贺的同时，在管理上提出了五点要求：该项目应以产品开发为目标，推动产业化 加强知识产权的保护和应用 应用好产生的知识产权，保证各单位的科研成果集成到科学仪器产品中来 落实法人负责制的各项要求，体现在法人对项目的服务、管理和监督三个环节，法人要为项目的实施提供切实的保障，并对科研和经费的使用进行管理和监督 加强协作，潜心开发，争取最终实现科研成果的产业化。　　雷朝滋对科技部领导给予高校的科研工作特别是仪器专项的大力支持表示感谢，他强调，一方面要高度重视“国家重大科学仪器设备开发专项”的定位 另一方面，承担项目的高校要高度重视项目的实施，要在基础研究成果工程化、产业化方面发挥重要作用。　　项目研发团队技术负责人颜学庆教授介绍，“超小型激光加速器及关键技术研究”将研发基于激光稳相加速方法的超小型离子加速器，攻克高对比和高光强激光、自支撑纳米薄膜靶、激光等离子体透镜、激光加速器超高流强离子束传输和激光加速器辐照研究平台等关键技术，建成首台超小型激光离子加速器装置。在此基础上开展激光离子加速器在核医学、空间辐射环境模拟、惯性约束聚变、国际热核聚变堆和高能量密度物理等领域的应用研究，促进我国科学研究在这些领域取得原创性科研成果。在国内选择具有代表性的单位开展高时间、高空间分辨率离子应用技术研究，以此带动和促进激光驱动超小型离子加速器在我国的应用和发展。　　“超小型激光加速器及关键技术研究”启动会得到了项目技术专家组、项目用户委员会以及其他参与单位的大力支持。项目技术专家组杜祥琬院士、陈佳洱院士先后发言，对该项目的启动提出了指导意见。两位院士都强调了这一专项的产业化特色，能否实现真正产业化，是检验该项目成功与否的重要条件。他们对本项目寄予厚望，期待做出好的成果。项目技术专家组组长贺贤土院士组织了应用任务讨论环节，北京大学物理学院肖池阶研究员，复旦大学放射医学研究所教授邵春林，中国工程物理研究院激光聚变研究中心洪伟研究员和北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授纷纷发言，对项目开展提出了积极的建议和想法。　　与会人员合影留念　　项目专家组代表中国科学院高能物理研究所张闯研究员，中国科学院近代物理研究所副所长赵红卫研究员，上海交通大学盛政明教授，中国科学院物理研究所陈黎明研究员和清华大学鲁巍教授就项目的意义和技术路线先后发言，提出了很多宝贵建议。北京科技大学副校长孙冬柏和南京大学祝世宁院士作为项目监理组代表出席本次启动会议，孙冬柏在总结讲话中强调，高校中项目组织的工程化管理需要重视和加强，希望在项目执行过程中给予关注。　　参会的嘉宾还有：中国科学院近代物理研究所李强研究员、胡步荣研究员、杜广华研究员，上海交通大学远晓辉副研究员，北京大学陆元荣教授、北京大学郭之虞教授、袁忠喜高级工程师、朱昆高级工程师、邹宇斌副教授，军事医学科学院毒物药物研究所赵宝全副研究员，复旦大学潘燕助理教授和秦皇岛开发区前景光电技术有限公司副总经理张宏林先生等。