红外差示法

近日，中科院合肥研究院安徽光机所高晓明研究员团队在激光外差光谱应用于风场探测方面取得新进展，相关研究成果以《基于氧气矫正的高分辨率激光外差辐射计(LHR)用于平流层和对流层风场探测的研究》为题发表于美国光学学会(OSA)学术期刊Optics Express。激光外差辐射计(LHR)具有高光谱分辨率的特点，可以有效地探测到由风场引起的微小多普勒频移，频移结合大气透过率谱，通过光谱反演得到沿视线方向水平风的垂直廓线和大气柱浓度等信息。团队谈图副研究员和李竣博士生设计了基于氧气矫正的近红外激光外差光谱仪，同时测量大气O2和CO2透过率谱，基于受约束的内尔德-米德（Nelder-Mead’s）单纯形法，利用大气O2透过谱来校正大气温度和压力分布，并结合最优估算法反演得到了精度为∼±2.5 m/s的大气风场垂直剖面，研究结果表明，氧气校正激光外差辐射计作为便携式和小型化测量仪器在风场探测中具有广阔的应用潜力。本研究工作得到国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、所长特别预研基金等项目的资助。双通道近红外激光外差辐射计示意图图(a)为测量的大气透射光谱；图(b)为先验风廓线(蓝色曲线)和反演的风廓线(红色虚线)

p　　中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用重点实验室再次合作，在高灵敏度石墨烯场效应晶体管(G-FET)太赫兹自混频(Homodyne mixing)探测器的基础上，实现了外差混频(Heterodyne mixing)和分谐波混频(Sub-harmonic mixing)探测，最高探测频率达到650 GHz，利用自混频探测的响应度对外差混频和分谐波混频的效率进行了校准，该结果近期发表在碳材料杂志Carbon上(Carbon 121, 235-241 (2017))。/pp　　频率介于红外和毫米波之间的太赫兹波(Terahertz wave)在成像、雷达和通信等技术领域具有广阔的应用前景，太赫兹波与物质的相互作用研究具有重要的科学意义。高灵敏度太赫兹波探测器是发展太赫兹应用技术的核心器件，是开展太赫兹科学研究的重要手段与主要内容之一。太赫兹波探测可分为直接探测和外差探测两种方式：直接探测仅获得太赫兹波的强度或功率信息 而外差探测可同时获得太赫兹波的幅度、相位和频率信息，是太赫兹雷达、通信和波谱成像应用必需的核心器件。外差探测器通过被测太赫兹信号与低噪声本地相干太赫兹信号的混频，将被测信号下转换为微波射频波段的中频信号后进行检测。与直接探测相比，外差探测通常具备更高的响应速度和灵敏度，但是探测器结构与电路更加复杂，对混频的机制、效率和材料提出了更高的要求。/pp　　天线耦合的场效应晶体管支持在频率远高于其截止频率的太赫兹波段进行自混频探测和外差混频探测。前者是直接探测的一种有效方法，可形成规模化的阵列探测器，也是实现基于场效应晶体管的外差混频探测的基础。目前，国际上基于CMOS晶体管实现了本振频率为213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分谐波混频探测，但其高阻特性限制了工作频率和中频带宽的提升。/pp　　石墨烯场效应晶体管因其高电子迁移率、高可调谐的费米能、双极型载流子及其非线性输运等特性为实现高灵敏度的太赫兹波自混频和外差混频探测提供了新途径。前期，双方重点实验室秦华团队和冯志红团队合作成功获得了室温工作的低阻抗高灵敏度石墨烯太赫兹探测器，其工作频率(340 GHz)和灵敏度(～50 pW/Hz1/2)达到了同类探测器中的最高水平(Carbon 116, 760-765 (2017))。此次合作进一步使工作频率提高至650 GHz，并实现了外差混频探测。/pp　　如图1所示，工作在650 GHz的G-FET太赫兹探测器通过集成超半球硅透镜，首先通过216、432和650 GHz的自混频探测，验证了探测器响应特性与设计预期一致，并对自混频探测的响应度和太赫兹波功率进行了测试定标。在此基础上，实现了本振为216 GHz和648 GHz的外差混频探测，实现了本振为216 GHz的2次分谐波(432 GHz)和3次分谐波(648 GHz)混频探测。混频损耗分别在38.4 dB和57.9 dB，对应的噪声等效功率分别为13 fW/Hz和2 pW/Hz。2次分谐波混频损耗比216 GHz外差混频损耗高约8 dB。/pp　　此次获得混频频率已远高于国际上已报道的石墨烯外差探测的最高工作频率(～200 GHz)，但中频信号带宽小于2 GHz，低于国际上报道最高中频带宽(15 GHz)。总体上，目前G-FET外差混频探测器性能尚不及肖特基二极管混频器。但是，无论在材料质量还是在器件设计与工艺技术上，都有很大的优化提升空间。根据Andersson等人预测，G-FET的混频转换效率可降低至23.5 dB，如何达到并超越肖特基二极管混频探测器的性能指标是未来需要重点攻关的关键问题。/pp　　图3所示为基于432 GHz的直接探测以及二次谐波探测的透射成像图对比，分谐波探测时的透射成像显现出比直接探测更高的动态范围，可达40 dB。/pp　　该研制工作得到了国家自然科学基金项目(No. 61271157, 61401456, 61401297等)、国家重点研发计划(2016YFF0100501， 2014CB339800)、中科院青促会(2017372)、中科院苏州纳米所纳米加工平台、测试分析平台和南京大学超导电子学研究所的大力支持。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/c73fe96e-7527-4de4-8f95-ff4e6c2935aa.jpg" title="1.jpg"/　/pp style="text-align: center "图1：650 GHz天线耦合的G-FET太赫兹外差混频探测器br//pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/70869861-507f-4a27-91dc-64a7cf6c6185.jpg" title="2.jpg"//pp style="text-align: center "图2：(a)准光耦合的外差混频探测系统示意图 (b)216 GHz外差混频探测的中频频谱br//pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/15463ac0-04f0-4c63-9091-fee1013ca466.jpg" title="3.jpg"//pp style="text-align: center "图3：(a)分别采用432 GHz直接探测和本振为216 GHz的2次分谐波探测对树叶进行的透射成像效果对比 (b)采用本振为216 GHz的2次分谐波探测对柠檬片的透视成像。/p

激光外差干涉技术在光刻机中的应用 张志平*，杨晓峰 复旦大学工程与应用技术研究院上海市超精密运动控制与检测工程研究中心，上海 201203摘要 超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。关键词 光刻机；外差干涉；双频激光干涉仪；平面光栅1 引言集成电路产业是国家经济发展的战略性、基础性产业之一，而光刻机则被誉为集成电路产业皇冠上的明珠［1］。作为光刻机三大指标之一的套刻精度，是指芯片当中上下相邻两层电路图形的位置偏差。套刻精度必须小于特征图形的1/3，比如14 nm节点光刻机的套刻精度要求小于5.7 nm。影响套刻精度的重要因素是工件台的定位精度，而工件台定位精度确定的前提则是超精密位移测量反馈，因此超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一［2-4］。随着集成电路特征尺寸的不断减小，对位置测量精度的需求也不断提高；同时，为了满足光刻机产率不断提升的需要，掩模台扫描速度也在不断提高，甚至达到 3 m/s 以上；此外，为了满足大尺寸平板显示领域的需求，光刻机工件台的尺寸和行程越 来越大，最大已达到 1. 8 m×1. 5 m；最后，为了获得工件台和掩模台良好的同步性能，光刻机还要求位置测量系统具备多轴同步测量的功能，采样同步不确定性优于纳秒级别［5-8］。 综上，光刻机要求位置测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程、数米每秒测量速度、闭环反馈以及多轴同步等特性。目前，在精密测量领域能同时满足上述测量要求的，只有外差干涉测量技术。 本文分别介绍外差干涉测量技术原理及其两 种具体结构——双频激光干涉仪和平面光栅测量系统，以及外差干涉技术在光刻机中的典型应用。 2 外差干涉原理 2. 1 拍频现象 外差干涉又称为双频干涉或者交流干涉，是利用“拍频”现象，在单频干涉的基础上发展而来的一 种干涉测量技术。 假设两列波的方程为 x1 = A cos ω1 t ， （1） x2 = A cos ω2 t 。 （2） 叠加后可表示为（3）拍频定义为单位时间内合振动振幅强弱变化 的次数，即 v =| (ω2 - ω1)/2π |=| v 2 - v 1 | 。 （4） 波 x1、x2 以及合成后的波 x 如图 1 所示，其中包 络线的频率即为拍频，也称为外差频率。如果其中一个正弦波的相位发生变化，拍频信号的相位会发生完全相同的变化，即外差拍频信号将完整保留原始信号的相位信息。 图 1. 拍频示意图Fig. 1. Beat frequency diagram对于激光而言，因为频率很高（通常为 1014 Hz 量级），目前的光电探测器无法响应，但可以探测到两束频率相近的激光产生的拍频（几兆到几十兆赫兹）。因此拍频被应用到激光领域，发展成激光外差干涉技术。2. 2 外差干涉技术 由拍频原理可知 ，所谓外差就是将要接收的信号调制在一个已知频率信号上，在接收端再将该调制信号进行解调。由于高频率的激光信号相位变化难以精确测量，但利用外差干涉技术可以用低频拍频信号把高频信号的 相位变化解调出来，将大大降低后续精确鉴相的难度。因此，外差技术最显著的特点就是信号以交流的方式进行传输和处理。 与单频干涉技术相比，外差干涉技术的突出优点是：1）由于被测对象的相位信息是加载在稳定的差频（通常几兆到几十兆赫兹）上，因此光电探测时避过了低频噪声区，提高了光电信号的信噪比。例如在外界干扰下，测量光束光强衰减 50% 时，单频干涉仪很难正常工作，而外差干涉仪在光强衰减 90% 时仍能正常工作 ，因此更适用于工业现场 。 2）外差干涉可以根据差频信号的增减直接判别运动方向，而单频干涉技术则需要复杂的鉴相系统来 判别运动方向。单频干涉技术与外差干涉技术对比如表 1 所示。表 1. 单频干涉技术与外差干涉技术对比Table 1. Comparison between homodyne interferometry and heterodyne interferometry3双频激光干涉仪 3. 1 双频激光干涉仪原理 双频激光干涉仪是在单频激光干涉仪的基础上结合外差干涉技术发展起来的，其原理如图 2 所 示。双频激光器发出两列偏振态正交的具有不同频率的线偏振光，经过偏振分光器后光束被分离。 图 2. 双频激光干涉仪原理图Fig. 2. Schematic diagram of dual frequency laser interferometer设两束激光的波动方程为 E1 = E R1 cos ( 2πf1 t ) E2 = E R2 cos ( 2πf2 t ) ， （5） 式中：ER1和 ER2为振幅；f1和 f2为频率。 偏振态平行于纸面的频率为 f1 的光束透过干涉仪后，被目标镜反射回干涉仪。当被测目标镜移动时，产生多普勒效应，返回光束的频率变为 f1 ± Δf， Δf 为多普勒偏移量，它包含被测目标镜的位移信息。经过干涉镜后，与频率为 f2 的参考光束会合，会合后光束发生拍频，其光强 IM函数为 （6） 式（6）包含一个直流量和一个交流量，经光电探测器转换为电信号，再进行放大整形后，去除直流量，将交 流量转换为一组频率为 f1 ± Δf- f2的脉冲信号。从双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的脉冲信 号，作为后续电路处理的基准信号。测试板卡采用减法器通过对两列信号的相减，得到由于被测目标 镜的位移引起的多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为 （7） 式中：λ 为激光的波长；N 为干涉的条纹数。因此， 只要测得条纹数，就可以计算出被测物体的位移。 3. 2 系统误差分析 双频激光干涉仪的系统误差大致由三部分组成：仪器误差、几何误差以及环境误差，如表 2 所示。 三种误差中，仪器误差可控制在 2 nm 以内；几何误 差可以通过测校进行动态补偿，残差可控制在几纳米以内；环境误差的影响最大，通常可达几十纳米到几微米量级，与测量区域的环境参数（温度、压 力、湿度等）有关，与量程几乎成正比，因此大量程测量时，需要对环境参数进行控制。 表 2. 双频激光干涉仪系统误差分解Table 2. System error of dual frequency laser interferometer4 平面光栅测量系统 双频激光干涉仪在大量程测量时，精度容易受 温度、压力、湿度等环境因素影响，研究者们同样基于外差干涉原理研发了平面光栅测量系统，可克服双频激光干涉仪的这一缺点。 4. 1 基于外差干涉的光栅测量原理 众所周知 ，常规的光栅测量是基于叠栅条纹的，具有信号对比度差、精度不高的缺点。基于外差干涉的光栅测量原理如图 3 所示，双频激光器发出频率 f1 和 f2 的线偏振光，垂直入射到被测光栅表面，分别进行+1 级和−1 级衍射，衍射光经过角锥反射镜后再次入射至被测光栅表面进行二次衍射， 然后会合并沿垂直于光栅表面的方向返回。由于被测光栅与光栅干涉仪发生了相对运动，因此，返回的激光频率变成了 f1 ± Δf和 f2 ∓ Δf，其中 Δf为多 普勒频移量，它包含被测目标镜的位移信息。 图 3. 基于外差干涉的光栅测量原理Fig. 3. Principle of grating measurement based on heterodyne interference会合后的光束 f1 ± Δf 和 f2 ∓ Δf 发生拍频，其频率为 ( f1 ± Δf ) - ( f2 ∓ Δf ) = ( f1 - f2 ) ± 2Δf。（8） 式（8）的信号与双频激光器中输出频率为 f1 - f2 的 参考信号相减，得到多普勒频移 Δf。被测目标镜的位移 L 与 Δf的关系可表示为（9） 式中 ：p 为光栅的栅距 ；N 为干涉的条纹数 。 因此，只要测得条纹数 ，就可以计算出被测物体的位移。 上述原理推导是基于一维光栅刻线的，只能测量一维运动。为了获得二维测量，只需将光栅的刻线由一维变成二维（即平面）即可。 4. 2 两种测量系统优缺点对比 由此可知，基于外差干涉的光栅测量原理与双频激光干涉仪几乎完全相同，主要的差别是被测对象由反射镜换成了衍射光栅。两种测量系统的优缺点如表 3 所示。表 3. 双频激光干涉仪与光栅测量系统对比Table 3. Dual frequency laser interferometer versus gratingmeasurement system5外差干涉测量在光刻机中的应用 发展至今，面向 28 nm 及以下技术节点的步进扫描投影式光刻机已成为集成电路制造的主流光刻机。作为光刻机的核心子系统之一的超精密工件台和掩模台，直接影响着光刻机的关键尺寸、套刻精度、产率等指标。而工件台和掩模台要求具有高速、高加速度、大行程、超精密、六自由度（x、y 大 行程平动，z 微小平动，θx、θy、θz微小转动）等运动特点，而实现这些运动特点的前提是超精密位移测量反馈。因此，基于外差干涉技术的超精密位移测量子系统已经成为光刻机不可或缺的组成部分。 4. 光刻机中的多轴双频激光干涉仪［10］Fig. 4. Multi-axis dual frequency laser interferometer in lithography machine[10]图 4 为典型的基于多轴双频激光干涉仪的光刻机工件台系统测量方案［10］，在掩模台和硅片台的侧面布置多个多轴激光干涉仪，对应地在掩模台和硅 片台上安装长反射镜；通过多个激光干涉仪的读数解算出掩模台和硅片台的六自由度位移。 然而，随着测量精度、测量行程、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪由于测量精度易受环境影响、长反射镜增加运动台质量致使动态性能差等问题难以满足日益提升的测量需求。因 此，同样基于外差干涉技术的平面光栅测量系统成为了另一种选择［8］。 光刻机工件台平面光栅测量技术首先由世界光刻机制造巨头 ASML 公司取得突破。该公司于 2008 年 推 出 的 Twinscan NXT：1950i 浸 没 式 光 刻机，采用了平面光栅测量技术对 2 个工件台的六自 由度位置进行精密测量。如图 5 所示，该方案在主基板的下方布置 8 块大面积高精度平面光 栅（约 400 mm×400 mm），在两个工件台上分别布置 4 个 平面光栅读数头（光栅干涉仪），当工件台相对于平 面光栅运动时，平面光栅读数头即可测出工件台的 运动位移［2，5，9］。图 5. ASML 光刻机的平面光栅测量方案［2，5，9］Fig. 5. Plane grating measurement scheme of ASML lithography machine[2,5,9]相比多轴双频激光干涉仪测量方案，平面光栅测量方案具有以下优点：1）测量光路短（通常小于 20 mm），因此测量重复精度和稳定性对环境变化不 敏感；2）工件台上无需长反射镜，因此质量更轻、动态性能更好。 然而，平面光栅测量方案也有其缺点：1）大面积高精度光栅制造难度太大；2）由式（9）可知，位移 测量结果以栅距 p 为基准，然而受栅距均匀性限制， 测量绝对精度不高。为了获得较好的精度和线性度，往往需要利用双频激光干涉仪进行标定。 面临极端测量需求的挑战 ，Nikon 公 司 在 NSR620D 光刻机中采用了平面光栅和双频激光干涉仪混合测量的技术方案［9］，如图 6 所示。该方案 将平面光栅安装在工件台上表面，而将光栅读数头安装在主基板下表面，同时增加了双频激光干涉仪，结合了平面光栅测量系统和双频激光干涉仪的 优点。在读头与读头切换时采用双频激光干涉仪进行在线校准。 图 6. Nikon光刻机混合测量方案［9］Fig. 6. Hybrid measurement scheme of Nikon lithography machine [9]6激光外差干涉系统的发展趋势 无论是双频激光干涉仪还是平面光栅测量系统，要想获得纳米级测量精度，既需要提高测量系统本身的精度，更需要从使用的角度努力，即“三分 靠做，七分靠用”。 就激光外差干涉测量系统本身而言，误差源主要来自于光学非线性误差。在外差干涉测量系统 中，由于光源及光路传输过程各光学器件性能不理想或装调有偏差，会带来两个频率的光混叠现象， 即原本作为测量信号频率 f1（或 f2）的光中混杂了频 率 f2（或 f1）的光，或原本作为参考信号频率 f2（或 f1） 的光中混杂了频率 f1（或 f2）的光。在信号处理中该混叠的频率信号会产生周期性的光学非线性误差。尽管目前主流的双频激光干涉仪厂家已经将非线性误差控制在 2 nm 以内［10- 12］，但应用于 28 nm 以下光刻机时仍然需要进一步控制该误差。国内外众多学者从非线性误差来源、检测和补偿等角度出发，进行了大量研究并取得了丰硕成果［13- 17］。这些成果有望对非线性误差的动态补偿提供理论支持。 从应用角度，研究热点主要集中在应用拓展、 安装误差及其测校算法、环境参数控制及其补偿方法研究等方面。在应用拓展方面，激光外差干涉技术除了应用于测长之外，还在小角度测量、直线度、平面度、反馈测量等方面取得了应用［18- 20］。在安装误差和环境误差补偿算法方面，主要聚焦于多自由度解耦算法、大气扰动补偿等研究方向［4，21- 27］。 7 总结 阐述了光刻机对位移测量系统大量程、亚纳米 分辨率、纳米精度、高测速及多轴同步的苛刻要求。 概述了激光外差干涉技术原理，指出目前为止，激光外差干涉技术是唯一能满足光刻机上述要求的超精密位移测量技术。并综述了两种基于激光外差干涉技术的测量系统：双频激光干涉仪和平面光栅测量系统。总结了这两种位移测量系统在光刻机中的典型应用，以及激光外差干涉技术的当前研究热点和发展趋势。全文详见：激光外差干涉技术在光刻机中的应用.pdf