精密小型手动升降位移台

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

精密位移传感器技术比较PIEZOCONCEPT 在其压电级中使用什么类型的位移传感器？为什么它优于其他传感器技术？PIEZOCONCEPT 使用单晶硅传感器，称为Si-HR 传感器。尽管它是应变仪传感器大系列的一部分，但它的性能优于其他两种常用技术（电容式传感器和金属应变仪）。这两种位置传感技术有其自身的特定缺点。 电容式传感器与 PIEZOCONCEPT 公司Si-HR 传感器的比较电容式传感器非常常用。他们提供了不错的表现，但他们对以下情况很敏感：• 气压变化：空气的介电常数取决于气压。电容测量将受到任何压力变化的影响。• 温度变化：同样的，空气的介电常数会随温度变化• 污染物的存在以上所有都会导致一些纳米级的不稳定性，因此如果您想实现真正的亚纳米级稳定性，则需要将它们考虑在内。即使可以对气压和温度进行校正，也无法校正其他因素（污染物、脱气）的影响。这解释了电容式传感器在真空环境中性能不佳的原因。此外，电容式传感器非常昂贵且体积庞大。因此，带有电容传感器的位移台不可能做的有像的 BIO3/LT3 这样薄，即使设计的好也会在稳定性方面进一步牺牲性能。因为它是一种固态技术，所以Si-HR 传感器的电阻不依赖于气压或污染物的存在。其次，温度变化会对测量产生影响（主要是因为材料的热膨胀），但这可以通过使用传感器阵列来纠正。基本上，我们为每个轴平行使用 2 个硅传感器 - 一个用于测量，另一个用于考虑由于温度变化导致的材料膨胀。金属应变计与 PIEZOCONCEPT Silicon HR 技术的比较金属应变计与我们的 Silicon HR 技术（也是应变计）之间的差异更大。金属应变计和硅传感器应变计之间存在两个巨大差异。竞争对手试图说所有的应变仪都具有相同的性能，因为它们测量的是应变。这是不正确的。半导体应变计在稳定性方面与金属应变计有很大不同。金属应变计和Si-HR 传感器（PIEZOCONCEPT 使用）之间的第yi个区别是应变系数：半导体应变仪（Si-HR）的应变系数大约是金属应变仪的 100 倍。更高的规格因子导致更高的信噪比，最终导致更高的稳定性。 更重要的是，第二个区别是金属应变计不能直接安装在弯曲本身上（即实现运动的地方）：金属应变计必须安装在某种“背衬”上。因此，它必须安装在执行器本身上，因为您没有足够的空间将其安装在挠性件上。仅在执行器上测量的问题是压电执行器有很多缺陷......存在蠕变或滞后等现象。因此，由于压电执行器的伸长不均匀，因此仅测量执行器的部分伸长率并不能精确地扣除其完全伸长率。通过对弯曲本身进行测量，我们不会遇到这种“不均匀”问题。由于上述原因，如果您比较应变计（金属）和 PIEZOCONCEPT 的Si-HR 传感器，在信噪比和稳定性方面存在巨大差异。 关于法国PIEZOCONCEPT公司 PIEZOCONCEPT 是压电纳米位移台领域的领宪供应商，其应用领域包括但不限于超分辨率显微镜、光阱、纳米工业和原子力显微镜。其产品已被国内外yi流大学和研究所从事前沿研究的知名科学家使用，在工业和科研领域受到广泛好评。 多年来，纳米定位传感器领域电容式传感器一直占据市场主导地位。但这项技术存在明显的局限性。PIEZOCONCEPT经过多年研究，开发出硅基高灵敏度位置传感器（Silicon HR）技术，Si-HR传感器可以实现更高的稳定性和线性度，以满足现代显微镜技术的更高分辨率要求。 PIEZOCONCEPT的目标是为客户提供一个物美价廉的纳米或亚纳米定位解决方案，让客户享受到市面上蕞高的定位准确性和稳定性的产品使用体验。我们开发了一系列超稳定的纳米定位器件，包含单轴、两轴、三轴、物镜扫描台、快反镜和配套器件，覆盖5-1500um行程，品类丰富，并提供各类定制化服务。与市场上已有的产品相比具有显着优势，Piezoconcept的硅传感器具有很好的稳定性、超本低噪声和超高的信号反馈，该技术优于市场上昂贵的高端电容传感器。因此，我们的舞台通过其简单而高效的柔性设计和超本低噪声电子器件提供皮米级稳定性和亚纳米（或亚纳米弧度）本底噪声。更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商，代理品牌均处于相关领域的发展前沿；产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等，涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、先进激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等优质服务。

光机产品质量的检验方法是否正确关系产品质量的好坏，看卓立汉光光机产品出厂前如何严把质量关？卓立汉光自1999年成立以来，不断深耕细作，我们从研发生产光学精密机械产品起步，目前公司的电控位移台、手动位移台、光学调整架等产品已经形成产品系列化,规格多元化，国内多家科研单位、激光加工设备厂商、光纤设备厂商在使用我们的产品。“好光机，卓立造”我们坚持从设计、零件选型、制造、装配、检验、包装、运输、直到售后服务做好质量保证，就是要让您 “付有所值”。公司的产品出厂前均按照国家标准、行业标准、或企业标准（部分高于上述同类标准）进行检验，我们根据 ISO9001 ：2015 国际质量管理体系的要求，对于产品的技术指标负责，我们所使用的检测仪器定期送至国家计量单位进行校准。卓立汉光所使用的测量仪器和实验仪器：名称检验精度或范围厂家国别说明5维激光干涉仪长度方向：0.02μm角度：0.1＂美国成品检测三坐标测量仪（也称三次元测量仪）系统分辨率：0.078μm测量精度：2.8μm+L/300合资（瑞典）零件检测、成品检测平面度检测仪0.01～0.001mm/m中国成品检测振动频率检测仪0.06～1000Hz中国成品检测安规综合测试系统漏电流：0.01mA接地电阻：0.01Ω英国成品检测（电子类）数显测微自准直仪0.1＂中国成品检测齿轮双面啮合综合检查仪1μm中国零件检测万能工具显微镜1μm中国部分成品及零件检测洛氏硬度计20～70HRC中国部分成品及零件检测机械振动台加速度:10g；频率：10～80Hz中国成品检测高低温循环实验箱-40～150°C中国成品检测常规检测设备：包括000级大理石测试平台、万用表、示波器、光栅尺及数显表、万能角度尺、卡尺、刀口尺、卓立汉光可检测项目（部分）1、零件检测项目卓立汉光零件检测中除了常规检测手段外，针对 FA 工业品中的若干系列，如 ：CXP 系列、SIN 系列、TBR 系列、XYR 系列电动滑台，核心零件采用 ：洛氏硬度计、齿轮双面啮合综合检查仪、三坐标测量仪等进行检测，确保零件质量。检测零件检测项目检测范围检测设备常规机加工零件物理尺寸及图纸要求所有产品常规检测设备关键机加工零件有关键指标的基准面、定位面的精度等所有产品三坐标测量仪蜗轮蜗杆材料TBR系列、TBG系列等第三方检测机构蜗轮蜗杆硬度TBR系列、TBG系列等洛氏硬度计蜗轮蜗杆啮合精度限TBR系列齿轮双面啮合综合检查仪丝杠物理尺寸及图纸要求所有产品常规检测设备丝杠同轴度限CXP系列、SIN系列、XYR系列抽检三坐标测量仪、齿轮双面啮合综合检查仪导轨及轴承物理尺寸及图纸要求所有产品常规检测设备导轨及轴承基准面、定位面精度所有产品三坐标测量仪、常规检测设备常规外购零件物理尺寸及图纸要求所有产品常规检测设备关键外购零件有关键指标的基准面、定位面的精度等所有产品三坐标测量仪2、成品检验项目卓立汉光成品检测中除了常规检测手段外，针对 FA 工业品中的若干系列，如 ：CXP 系列、SIN 系列、TBR 系列、XYR 系列电动滑台，新增：微步能力、微步运动时重复定位精度、微步运动时回程间隙、静态平行度、背隙等指标的检测，确保成品更符合工业设备使用要求。检测项目直线及升降滑台旋转、摆动滑台及对位平台检测设备行程所有产品所有产品常规检测设备重复定位精度所有产品所有产品常规检测设备微步运动重复定位精度限CXP系列/激光干涉仪回程间隙所有产品所有产品常规检测设备背隙CXP系列、KA系列、PA系列TBR系列、TBG系列推力计、千分表微步运动回程间隙限CXP系列/激光干涉仪运动性能（包括速度、加速度等）标称该技术指标的产品标称该技术指标的产品常规检测设备精度（绝对定位精度）CXP系列、KA系列、PA系列限TBR系列、DDR系列激光干涉仪微步能力限CXP系列/激光干涉仪或千分表运动直线度标称该技术指标的产品/激光干涉仪或自准直仪运动平行度标称该技术指标的产品/激光干涉仪或自准直仪静态平行度标称该技术指标的产品标称该技术指标的产品千分表或三坐标检测仪俯仰CXP系列、KA系列、PA系列/激光干涉仪或自准直仪偏摆CXP系列、KA系列、PA系列/激光干涉仪或自准直仪端面（轴向）跳动/限旋转滑台千分表径向跳动/限旋转滑台千分表最大净转矩/限TBR系列扭力扳手、测试工装