激光干涉振动计

“坐标”这个概念源于解析几何，其基本思想是构建坐标系，将点与实数联系起来，进而可以将平面上的曲线用代数方程表示。坐标的概念应用到工业生产中解决了大量实际问题，例如，坐标测量机可采集被测工件表面上的被测点的坐标值，并投射到空间坐标系中，构建工件的空间模型等诸多案例。坐标测量机还被用于产品质量控制，测量磨损，制造精度，产品形貌，对称性，角度等工业产品参数，因此需要非常高的移动精度，才能确保测量的准确性。德国attocube公司推出的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪就是辅助坐标测量机提高测量精度的有力手段。图1 皮米精度位移测量激光干涉仪IDS3010IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪是如何帮助坐标测量机实现高精度的呢？图2 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机探测臂上通常坐标测量机要求探测臂位移精度高于1微米，现在坐标测量机位移反馈大多是通过玻璃分划尺来实现的。玻璃分划尺是常用的一种位置测量的方法，分划尺在坐标测量机上位于龙门处，一般情况下，采用玻璃分划尺探测的不是探测臂本身，而是坐标测量机龙门处的位置变化。实际上， 坐标测量机的探测臂与龙门之间有一定长度的距离，它们的位置变化会因存在例如振动、位置差等而有所不同，因此只凭借龙门处位置变化来判断真实的位移反馈是不准确的，影响到实际样品的测量精度。图3 IDS3010激光干涉仪集成到坐标测量机上。坐标测量机通过干涉仪探头的配合，可反馈探测臂的位移。德国attocube公司的IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪通过非接触式方法测量，可以直接测量探测臂的运动，避免龙门处探测误差，实现高精度测量。如图3，激光探头位于坐标测量机侧边，M12/C7.6激光探头出射的激光可以被探测臂上的反射镜（直径3mm）反射回激光探头，IDS3010干涉仪通过分析干涉信号从而进行位置测量。探测臂能够移动0.8米距离，移动精度达到10微米。干涉仪能够实时测量该探测臂的位移以及振动等信息。图4 IDS3010实时位置测量软件WAVE测量数据。扩展图为中间区域的数据放大。IDS3010配置的软件WAVE可以实时观测与保存测量数据。如图4，坐标测量机的运动数据被测量并记录。图中所示，前15秒与终10秒间的数据是0.8m距离的往复运动。中间时间的数据看似没有变化，但通过WAVE软件的放大功能，我们发现中间时间的探测臂其实进行了10微米的步进运动。同时，通过WAVE软件我们也可以观测到步进运动的详细变化过程。每一个步进大约2秒，在运动初始的时候位移有超过，在大约0.4秒的短时间内位移被调整为10微米的步进长度。而在步进的末尾，也有小幅的位置噪音，该噪音一般是由于振动引入。这对于探测样品位移以及振动信息具有重大意义。IDS3010技术特点：IDS3010皮米精度位移测量激光干涉仪具有体积小、适合集成到工业应用与同步辐射应用中的特点，同时，测量精度高，分辨率高达1 pm，是适合工业集成与工业网络无缝对接的理想产品。除与坐标测量机结合使用外，在工业中的其他应用实例也非常广泛，包括闭环位移反馈系统搭建、振动测量、轴承误差测量等等。+ 测量精度高，分辨率高达1 pm+ 测量速度快，采样带宽10MHz+ 样品大移动速度 2m/s+ 光纤式激光探头尺寸小，灵活性高+ 兼容超高真空，低温，强辐射等端环境+ 其可靠与稳定+ 环境补偿单元，不同湿度、压力环境中校正反射率参数提高测量精度+ 多功能实时测量界面，包含HSSL、AquadB、CANopen、Profibus、EtherCAT、Biss-C等界面相关产品及链接：1、皮米精度位移激光干涉器attoFPSensor：http://www.instrument.com.cn/netshow/C159543.htm2、EcoSmart Drive系列纳米精度位移台：http://www.instrument.com.cn/netshow/C168197.htm3、低温强磁场纳米精度位移台：http://www.instrument.com.cn/netshow/C80795.htm

激光干涉技术主要应用光波的空间相干特性。具体而言，对于两束光波或电磁波等横波，当波长相等、且相位差为2π整数倍时，合成波的振幅叠加增强至最大；当相位差为π奇数倍时，合成波的振幅抵消减小至最小。早在十九世纪下半叶，科学家们就已发明了多种原理干涉结构装置用于科学研究，其中最著名的是迈克尔逊-莫雷干涉试验，该实验采用钠光源平均谱线近似单色光进行干涉测量，从而否定了“以太”的假说。图1 迈克尔逊-莫雷干涉试验激光干涉仪的构成真正促进干涉技术巨大进步的契机是1960年激光器的发明。激光由于具有极窄的谱线，因而具有非常优秀的空间相干性。目前激光干涉仪主要的用途包括精准的尺寸和移动距离测量，测量准确度最高可以达到纳米甚至亚纳米量级。在构成上激光干涉仪最常使用的波长为632.8 nm，对于经典的迈克尔逊干涉测量原理，由激光器中出射的单色激光经过50:50半透半反的分束镜后分为2束光束，其中一束经过固定的光程后被反射镜反射，称为参考光束；另外一束光束由于存在被测对象，被反射镜反射后光程发生改变(距离或折射率变化引起)，称为测量光束。当两束光被反射后在分束镜第二次合成并随后照射探测器上被接收后，将产生干涉条纹的移动。由之前的光波的叠加性可知，假设测量光路距离变化为316.4 nm，当只存在一去程一回程的情况下，此时干涉条纹相位变化2π。目前商用激光干涉仪普遍采用两去程两回程，同时采用1024倍电子细分卡，因此分辨率可达0.16 nm。图2 激光干涉仪原理构造激光干涉仪的应用现状1. 在工业领域应用随着理论研究的深入和技术的不断进步，激光干涉测量技术目前精彩纷呈，在多个领域中都得到了非常广泛的应用。 包括单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、激光平面干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、皮米激光干涉仪、多波长干涉测距等。 单频和双频激光干涉仪。测量具有非接触和无损检测的特点，能够在线测量长度、角度和转速等参数，因此已成为各国精密数控机床在线定位精度测量的最主要标准之一。在精密加工过程中，位置精度是机床的重要指标，激光干涉仪通过在线位置测量、实时数据处理实现机床误差修正。另外在集成电路制造中，激光干涉仪也是光刻机在线位移测量的核心部件。图3 激光干涉仪在精密机床中的应用激光平面干涉仪。激光干涉仪不仅可以用于测量长度、角度以及位移，也可以测量物体的表面形貌。测量基本原理为激光菲索(Fizeau)干涉，激光经过扩束后先后经过参考平面和待测平面，两个平面的反射光发生干涉后产生干涉条纹，通过成像系统接收。分析条纹形状即可判断是否存在缺陷。图4 激光平面干涉仪皮米激光干涉仪。现在随着微纳测量分辨率要求的进一步提高，出现了商品化的皮米激光干涉仪。皮米激光干涉仪采用包覆光纤作为激光传输介质，有效减小了空气折射率扰动对测量的影响；同时在干涉方式上干涉仪采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理，是一种多倍程干涉，进一步提高了分辨率。 图5 皮米激光干涉仪多波长干涉绝对测距。采用单波长干涉测距虽然分辨率可达到纳米级，但是单波长干涉测距是相对测量，且测量时光路不能中断，而多波长干涉能很好解决这个问题。因为在干涉测距中波长就像一把量尺，但如果测量距离大于这把量尺，则需要多次拼接测量。多波长干涉能形成很长的等效波长，使量尺范围大于被测距离，实现绝对距离测量。图6 多波长干涉绝对测距光相控阵雷达。随着自动驾驶技术的高速发展，现在激光干涉技术也应用在光相控阵(OPA)激光雷达(LiDAR)中。激光雷达会产生一系列密集超短激光脉冲扫描周围物体，通过脉冲返回时长差判断距离和轮廓。光相控阵雷达利用光栅干涉原理，可以通过改变不同狭缝中入射光线的相位差来改变光栅后中央条纹(主瓣)位置，从而控制激光雷达光束的指向和转向。 图7 激光干涉技术在光相控阵雷达中的应用2. 在科学研究方面应用激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO用于验证广义相对论预言的引力场扰动产生的时空扭曲。它本质上是一个超大型迈克尔逊干涉仪，由2条4千米长的互相垂直的臂构成，同时光线还会在臂内折返300次。当引力波会产生空间弯曲，干涉结果也会轻微变化。2017年美国科学家借助LIGO观测到双中子星合并引力波事件并获得了诺贝尔物理学奖。图8 激光干涉引力波天文台(LIGO)激光全息干涉测量技术。利用非共面多光束干涉可以在空间形成二维或三维周期性强度分布，从而被用来制作二维或三维光子晶体；利用全息干涉技术可用于位移及形变测量、应变与应力分析、缺陷或损伤探测、振动模式可视化及测量、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热对流场的观察与测量。图9 激光全息干涉测量技术作者：中国计量科学研究院副研究员 李琪

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