超精密应力测量设备

centerimg style="width: 368px height: 400px " title="" alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441271.jpg" height="400" hspace="0" border="0" vspace="0" width="368"//centerp style="text-align: center "　　精密坐标测量/pp　　strong精密测量技术/strong/pp　　现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。/pp　　在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智慧化的发展趋势。三坐标测量机(CMM)是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时，作为下世纪的重点发展目标，各国在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。/pp　　strong三坐标测量机/strong/pp　　三坐标测量机作为几何尺寸数字化检测设备在机械制造领域得到推广使用。/pp　　1、误差自补偿技术/pp　　德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术，使坐标测量机的测量精度在17.8～25.6℃范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技。/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441250.jpg" height="286" width="278"//centerp style="text-align: center "　　CNC小型坐标测量机/pp　　2、丰富的软件技术/pp　　CarlZeiss 公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括X-BAR& R及X_BAR& S图表、频率直方图、运行图、目标图等。/pp　　美国公司的Cameleon测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50多个测量模块。/pp　　日本Mistutor公司研制开发了一种图形显示及绘图程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。/pp　　/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441295.jpg" height="333" width="484"//centerp style="text-align: center "　　STRATA-UX系统处理简图/pp　　3、非接触测量/pp　　基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息，进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。/pp　　该方法克服了接触测量的局限性。将激光双三角测量法应用于大范围内测量，对复杂曲面轮廓进行测量，其精度可高于1μm。英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其它厂商提供的接触式或非接触式探头。/pp　　/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441352.jpg" height="357" width="241"//centerp style="text-align: center "　　IMP型坐标测量机/pp　　strong微/纳米级精密测量技术/strong/pp　　科学技术向微小领域发展，由毫米级、微米级继而涉足到纳米级，即微/纳米技术。/pp　　纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。/pp　　微/纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如HP5528双频激光干涉测量系统(精度10nm)、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。/pp　　因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。/pp　　1、扫描探针显微镜/pp　　1981 年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜，把人们带到了微观世界。它具有极高的空间分辨率，广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域，在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似的原理与结构，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或接口纳米尺度上表现出来的性质的扫描探针显微镜(SPM)，用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息，成为人类认识微观世界的有力工具。下面为几种具有代表性的扫描探针显微镜。/pp　　(1)原子力显微镜(AFM)/pp　　为了弥补STM只限于观测导体和半导体表面结构的缺陷，Binning等人发明了AFM，AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运动，通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移，实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测，从而得到表面形貌信息。/pp　　就应用而言，STM主要用于自然科学研究，而相当数量的AFM已经用于工业技术领域。1988年中国科学院化学所研制成功国内首台具有原子分辨率的AFM。安装有微型光纤传导激光干涉三维测量系统，可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜可使目前纳米测量技术定量化。/pp　　利用类似AFM的工作原理，检测被测表面特性对受迫振动力敏组件产生的影响，在探针与表面10～100nm距离范围，可以探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作用力，相继开发磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微镜等，统称为扫描力显微镜。/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010441475.jpg" height="229" width="600"//centerp style="text-align: center "　　原子力显微镜及工作原理/pp　　(2)光子扫描隧道显微镜(PSTM)/pp　　PSTM的原理和工作方式与STM相似，后者利用电子隧道效应，而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激起的瞬衰场，其强度随距接口的距离成函数关系，获得表面结构信息。/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442144.jpg" height="198" width="270"//centerp style="text-align: center "　　光子扫描隧道显微镜/pp　　(3)其它显微镜/pp　　如扫描隧道电位仪(STP)可用来探测纳米尺度的电位变化 扫描离子电导显微镜(SICM)适用于进行生物学和电生理学研究 扫描热显微镜已经获得了血红细胞的表面结构 弹道电子发射显微镜(BEEM)则是目前唯一能够在纳米尺度上无损检测表面和接口结构的先进分析仪器，国内也已研制成功。/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442219.jpg" height="194" width="362"//centerp style="text-align: center "　　扫描隧道电位仪/pp　　2、纳米测量的扫描X射线干涉技术/pp　　以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸，这是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度(0.10～0.01nm)尺寸测量的定标手段。/pp　　美国NIST和德国PTB分别测得硅(220)晶体的晶面间距为192015.560± 0.012fm和192015.902± 0.019fm。日本 NRLM在恒温下对220晶间距进行稳定性测试，发现其18天的变化不超过0.1fm。实验充分说明单晶硅的晶面间距具有较好的稳定性。/pp　　扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中的一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小两个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率。该方法较其它方法对环境要求低，测量稳定性好，结构简单，是一种很有潜力的方便的纳米测量技术。/pp　　自从1983年D.G.Chetwynd将其应用于微位移测量以来，英、日、意大利相继将其应用于纳米级位移传感器的校正。国内清华大学测试技术与仪器国家重点实验室在1997年5月利用自己研制的X射线干涉器件在国内首次清楚地观察到X射线干涉条纹。软X射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。迈克尔逊型差拍干涉仪，适于超精细加工表面轮廓的测量，如抛光表面、精研表面等，测量表面轮廓高度变化最小可达0.5nm，横向(X，Y向)测量精度可达0.3～1.0μm。渥拉斯顿型差拍双频激光干涉仪在微观表面形貌测量中，其分辨率可达0.1nm数量级。/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442402.jpg" height="354" width="351"//centerp style="text-align: center "　　迈克尔逊型差拍干涉仪/pp　　3、光学干涉显微镜测量技术/pp　　光学干涉显微镜测量技术，包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P(Ferry-Perot)标准的测量技术等，随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率，如光外差干涉轮廓仪具有0.1nm的分辨率 基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度，其精度可达0.001nm，但其测量范围受激光器的调频范围的限制，仅有0.1μm。而扫描电子显微镜(SEM)可使几十个原子大小的物体成像。/pp　　美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统，位移分辨率高于0.6nm，可在1.1m/s的高速下测量，适于纳米技术在半导体生产、数据存储硬盘和精密机械中的应用。/pp　　目前，在微/纳米机械中，精密测量技术一个重要研究对象是微结构的机械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。微细结构的缺陷研究，如金属聚集物、微沉淀物、微裂纹等测试技术的纳米分析技术目前尚不成熟。国外在此领域主要开展用于晶体缺陷的激光扫描层析技术，用于研究样品顶部几个微米之内缺陷情况的纳米激光雷达技术，其探测尺度分辨率均可达到1nm。/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442693.jpg" height="269" width="400"//centerp style="text-align: center "　　以激光波长为已知长度利用迈克耳逊干涉系统测量位移/pp　strong　图像识别测量技术/strong/pp　　随着近代科学技术的发展，几何尺寸与形位测量已从简单的一维、二维坐标或形体发展到复杂的三维物体测量，从宏观物体发展到微观领域。 正确地进行图像识别测量已经成为测量技术中的重要课题。/pp　　图像识别测量过程包括：(1)图像信息的获取 (2)图像信息的加工处理，特征提取 (3)判断分类。计算机及相关计算技术完成信息的加工处理及判断分类，这些涉及到各种不同的识别模型及数理统计知识。/pp　　图像/pp　　测量系统一般由以下结构组成。以机械系统为基础，线阵、面阵电荷耦合器件CCD或全息照相系统构成摄像系统 信息的转换由视频处理器件完成电荷信号到数字信号的转换 计算机及计算技术实现信息的处理和显示 回馈系统包括温度误差补偿，摄像系统的自动调焦等功能 载物工作台具有三坐标或多坐标自由度，可以精确控制微位移。/pcenterimg alt="" src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/2018/0401/20180401010442902.png" height="243" width="547"//centerp style="text-align: center "　　图像测量系统结构/pp　　1、CCD传感器技术/pp　　物体三维轮廓测量方法中，有三坐标法、干涉法、穆尔等高线法及相位法等。而非接触电荷耦合器件CCD是近年来发展很快的一种图像信息传感器。它具有自扫描、光电灵敏度高、几何尺寸精确及敏感单元尺寸小等优点。随着集成度的不断提高、结构改善及材料质量的提高，它已日益广泛地应用于工业非接触图像识别测量系统中。/pp　　在对物体三维轮廓尺寸进行检测时，采用软件或硬件的方法，如解调法、多项式插值函数法及概率统计法等，测量系统分辨率可达微米级。也有将CCD应用于测量半导体材料表面应力的研究。/pp　　2、照相技术/pp　　全息照相测量技术是60年代发展起来的一种新技术，用此技术可以观察到被测物体的空间像。激光具有极好的空间相干性和时间相干性，通过光波的干涉把经物体反射或透射后，光束中的振幅与相位信息。/pp　　超精密测量技术所代表的测量技术在国防、航天、航空、航海、铁道、机械、轻工、化工、电子、电力、电信、钢铁、石油、矿山、煤炭、地质、勘侧等领域有极其广泛的应用，在国民经济建设中占有重要的地位。在发展高端装备制造业的背景下，提高我国在超精密测量方面的科研实力和技术水平，成为不得不解决的迫切问题。/p

“现代热力学之父”开尔文有一条著名结论：“只有测量出来，才能制造出来。” 精密测量技术的发展不断促进着工业制造的换代升级。在当代科技和工业领域，高水平的精密测量技术和精密仪器制造能力，反映了一个国家科学研究和整体工业领先程度，更是发展高端制造业的必备条件。随着精密测量技术不断进步，其在科学研究、工程科技、现代工业、现代农业、医疗卫生和环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。精密测量技术促进了现代工业的发展精密测量是一个泛指的、大的范畴。凡是准确度很高的各类测量，都可称之为精密测量。在精密和超精密工程领域，精密测量有具体的数量级概念：精密测量是指测量准确度在1 μm~0. 1 μm 量级的测量，超精密测量是指测量准确度优于100 nm，如10 nm、1 nm，甚至pm（千分之一纳米）量级的测量。精密测量兴起于工业大生产。规模化大生产是现代工业的重要特征，产业分工与专业化配套越来越细化、越来越精密，地域分布越来越广、产业链遍布全世界。也就是说，一个产品由成百上千甚至成千上万个零部件组成，这些零部件不可能由一个厂家生产，需要遍布各地的很多个优势生产厂家合作完成。比如一部智能手机，有1600 多个零件和元器件，由分布在世界上11 个国家和地区的150 多家工厂提供。这带来一系列好处：大批量标准化生产，生产效率高、质量高、成本低。但技术层面存在一个大问题——把如此多的零件、元器件集成到一起时，其中任何之一的尺寸精度或其他技术指标不合格，就无法高精度、高效率地把它们集成到一起，即便勉强集成到一起，产品质量也可能不合格。为了解决这类问题，国际标准化组织（ISO）和国际计量局（BIPM）制定了一系列标准与规范。依据这些标准与规范，对产品的每一个零件和元器件的所有技术参数进行精密测量，以保证成千上万的同一种零件或元器件都具有互换性。通俗地说，就是用到哪一个零部件都是合格的。这需要一个前提为保障：发生在世界各地的千千万万次测量都是准确无误的。怎么才能保证准确无误？BIPM 用一个公认的标准量值传递给每一台测量仪器，以保证这个标准量值在全世界范围内准确一致，进而保证所有的测量仪器都是精准的，所有的测量数据都是精准的。从那时起，精密测量已成为促进科技发展的重要新兴学科。超精密测量技术是引领现代工业向高端发展的火车头对一个国家而言，精密测量与装备制造业紧密相关。装备制造业向中高端跨越的关键是提升制造质量，提升制造质量的关键，需先解决精密测量能力问题。只有通过精密测量，才能知道产品哪里不合格；只有通过大量精密测量数据的积累，才能找到产品不合格的根源与规律；只有基于精密测量数据建立起成体系的误差补偿模型，才能有效实现制造精度和产品性能的精确调控，产品质量才能在不断地精确调控中逐渐提升。超精密光刻机的研制，很好地证明了这条结论。超精密光刻机被称为“超精密尖端装备的珠穆朗玛峰”，挑战着人类超精密制造的精度和性能极限。超精密光刻机是在超精密量级上把最先进的光机电控等几十个分系统、几万个零部件集成在一起，使其高性能协同工作，是人类装备制造史上复杂程度最高，技术难度最大，综合精度性能最高的尖端装备之一。它在高速和高加速度下，实现纳米级的同步精度、单机套刻精度和匹配套刻精度等，这与传统的精度提升环境完全不同。同时，超精密光刻机的制造精度已接近现有制造能力的极限，其精度提升一点点，通常都要付出几倍、十几倍的努力。比如，用于28 nm 节点制程的深紫外（DUV）光刻机拥有7 万多个光机零件，涉及到上游5000 多家供应商。这些零部件对精度和稳定性的要求极高，其中85% 的零部件集成了供应链上所有制造商的优势，才共同研发成功。任何一个重要零件不合格都会导致超精密光刻机研制失败。以其中一个构件——激光反射镜的制造精度为例。它由微晶玻璃制成，有108 项尺寸公差和62 项形状、位置、方向公差，还有内部应力等技术要求。要完成这样一个复杂构件的超精密测量，需要20 多种专用超精密测量仪器。而光刻机有7 万多个光机零件，其中80% 以上的零件处于精密和超精密级，需要700 多种专用精密和超精密测量仪器。如果没有成体系的专用超精密测量技术与仪器来管控制造精度，就不可能制造出合格的零件，也不可能装配调试出合格的部件与分系统，更不可能装配调试出合格的光刻机整机。从一类装备到整个装备制造业，一个普遍的规律是，只要建立起遍布装备全制造链、全产业链和全生命周期的精密和超精密测量整体能力，就能对整个装备制造业高质量运行形成有效的调控能力和稳定可靠的支撑能力。超精密测量只有形成体系，才能对高端制造形成整体支撑能力精密和超精密测量整体能力的提升还可推动国家测量体系的建立。其中国家计量体系能够有效管控工业测量体系，保障全制造链、全产业链和全生命周期内的产品质量，赋能高科技产业高质量发展。目前国际上工业发达的国家，其产品都经历了从低质量向高质量的曲折的发展历程。正是因为建立起了完整的精密测量体系，培育起了一批顶尖的超精密仪器企业，才能为高端装备制造提供强有力支撑，打造出诸多世界品牌。凡是制造强国和质量强国，都是仪器强国和测量强国。世界前20 强仪器企业被美、日、德、瑞、英占据，世界前5 名仪器企业的高端仪器市场占有率超过50%，世界前10 名仪器企业高端仪器市场占有率超过75%，这些仪器强国同时都是测量强国，都早已经构建起了先进的国家测量体系。为什么我国制造业从中低端向中高端跨越时，遇到的困难非常多，难度非常大？目前，我国工业，特别是制造业仍处于中低端，产品制造质量基础十分薄弱。从体制机制层面看，一是现行计量体系不完整等问题导致量值传递能力薄弱、大量传递链断裂，质量调控能力在底层失控；二是现行计量管理体制僵化，市场化程度低，不利于培育服务型测量业态，不利于发展工业测量服务市场。从技术层面看，一是尚未形成完备的整体工业测量能力；二是精密级测量还没有形成整体能力，超精密级测量能力还处于初级阶段；三是关键测量技术亟待突破，高端测量仪器仪表和核心零部件长期依赖国外。无论是管理模式，还是技术支撑，都已经无法满足经济社会各领域对精准测量测试的需求，深层次改革势在必行。新一代国家测量体系可以分步推进：在国家计量体系层面，要系统布局面向工程参量的国家计量基标准建立；在工业测量体系层面，可以先从一些重要产业的精密测量和超精密测量做起，如航空发动机产业、汽车产业、平板显示器产业和半导体照明产业等，可建设面向各类产业的产业工业测量体系；对工业集群集中的区域，如哈大齐工业走廊、辽中南制造业集中区、长三角制造业集中区、长三角制造业集中区等，可建立各具区域产业背景的区域工业测量体系。在面向各行各业的工业测量体系和覆盖国内各个制造业集中区的区域工业测量体系的基础上，构建具有计量量子化和量值传递扁平化特征的新一代国家测量体系。只有这样，才能对我国整个高端制造形成整体支撑能力。2023 年2 月6 日党中央国务院印发了《质量强国建设纲要》，提出了2025 年和2035 年发展目标，为工业转型升级指明方向。国家新型工业测量体系是质量强国建设的坚实基础，是我国工业，特别是制造业从中低端向中高端跨越的核心支撑，是提升产业核心竞争力的关键。进入中高端制造阶段，精密和超精密测量就成为不可或缺的核心能力，要想造得出，必先测得出，要想造得精，必先测得准。构建国家新型工业测量体系是实现产业高质量发展的必然选择，也是补齐我国工业，特别是高端装备制造质量短板的必由之路。谭久彬，1955年3月出生于哈尔滨，精密仪器工程专家，中国工程院院士。现任哈尔滨工业大学精密仪器工程研究院院长、国家计量战略专家咨询委员会副主任，中国仪器仪表学会副理事长，中国计量测试学会副理事长，国际测量与仪器委员会（ICMI）常务委员等。长期从事超精密测量与仪器工程的科研与人才培养工作。面向高端装备制造质量提升的特殊需求，提出超精密仪器与装备精度调控方法及理论，如多模复合运动基准方法、多轴运动基准误差分离方法和主动负刚度隔微振方法等系列创新方法；突破超精密运动基准等系列核心技术，研制成功4种国家级计量标准装置和21种大型超精密测量仪器与超大型超精密测试装备，创建了超精密仪器与装备精度调控技术体系与平台体系；解决了我国战略武器装备、航空发动机、高性能卫星相机等36个重大型号高端装备研制生产中的超精密测量与精度调控难题，显著提升了重大型号装备的精度水平。建成国内第一个超精密仪器研发基地和产业化基地。作为第一完成人，获国家技术发明奖一等奖1项（2006年），二等奖2项（2013、2016年）。

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