高速机

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

计重收费是交通管理部门为保护公路交通安全、保护人民群众生命安全而采取的一种重要举措。我国从2004年起在全国集中开展车辆超限超载治理工作，现在全国绝大多数省份都已采用计重收费的方式治理超载超限。开展计重收费以来，超载超限车辆明显减少，高速公路交通事故明显下降，收效十分明显。　　然而，从计重收费开始之日起，有关 “计重不准”的投诉和纠纷就从没停止过。在不少司机的眼里，高速公路计重不准已经是一个公开的秘密，成为他们心中的痛。“计重不准”为何频频成为投诉焦点?如何才能提高高速公路计重准确度?计重收费的准确计量到底有多远?　　“诡异”的计量衡　　“装货的时候算好了肯定不会超过10吨，怎么称出14吨来了?”做物流生意的徐强经常开车跑重庆至荣昌方向，在荣昌峰高埔高速路出口，徐强的小货车被称出重量为14吨，超过了该车型的准载量，本来90元钱的高速过路费一下子变成了150元。徐强不接受称重结果，要求复秤。他扳着手指头算：“每台电冰箱大约65公斤，我一共装了55台，撑死了也就4吨，货车本身重6吨，车加货绝对不会超过10吨，怎么可能有14吨?”峰高埔出口处共两条通道，徐强在另一台计量衡上进行复秤，结果显示为10.5吨。“跑的趟数多了就有经验了，两个秤差别很大，以后我每次都选择比较准的秤称重。”徐强说。　　不少货车司机都与徐强有着类似的经历。一辆四轴货车在其他省份的收费站称重都在37吨以下，但在甘肃某收费站，计重收费显示器却显示为41.4吨。司机不得不因此交比正常情况下多出1700元的高额通行费 一部7座的小货车在一个收费站称重为1吨，在另一个收费站却称出9吨，多出整整8吨 拉18吨的货用了43块钱，拉14吨的货却用了45块钱……　　在采访中，记者多次听到这样的质疑：“同一辆车，所载的货物相同，在不同的收费站怎么能称出不同的重量?”“计量衡怪得很，根本摸不准，说不准什么时候拉的货物会突然超重。”在一些司机的眼里，高速公路计重收费的计量衡显得颇有几分“诡异”。　　缺乏统一的精度标准　　对计量略有了解的人都知道，任何一种度量衡都会存在计量误差，高速公路的计重收费系统也不例外。　　据国家衡器质检中心高级工程师鲁新光介绍，高速公路计重收费系统可分为动态和静态两种，目前我国广泛使用的是动态公路车辆自动衡器(以下简称动态汽车衡)，主要由秤台、称重传感器和称重显示仪表3部分组成，它与车辆分离系统、轮胎识别系统、摄像监控系统和中央控制系统等共同组成超载检测系统。　　由于近年我国大规模开展公路超限超载运输车辆的治理，采用计重收费方式的省市也逐渐增加，对计重设备产品的需求急剧增长，生产计重设备的企业如雨后春笋般出现，鱼龙混杂，产品质量也是参差不齐。　　2008年，我国开始实施《动态公路车辆自动衡器》推荐性标准，2006年还颁布了车辆自动衡器检定规程。标准对不同等级动态企业衡规定了不同的允许误差。标准将动态汽车衡称量整车总重量的准确度分为6个等级，分别为0.2、0.5、1、2、5、10，各级首次检定允许误差各有不同，同时规定使用中误差可以是首次误差的两倍。但记者发现，在《动态公路车辆自动衡器》标准中，并未对什么场合应该具体使用哪个等级精度的动态汽车衡产品提出具体要求，只是在“准确度等级”部分注明：“根据国家规定，可以对某些应用场合的准确度等级进行限制。”　　国家计量检定规程的主要起草人之一、中国计量科学研究院高级工程师唐煜在《制定动态汽车衡国家计量检定规程的几个要点》一文中，对这个问题作了如下解释：“在93~99年版本的国际建议中，都明确规定了整车计量的5级和10级汽车衡不能用于贸易结算，而2001版的国际建议中取消了这个注释。也就是说，动态汽车衡按国家规定确定了准确度等级后，能否用于贸易结算，由贸易双方根据具体情况而定，在检定规程中对此不作硬性规定。”　　但宝鸡四维衡器有限公司董事长王建军认为，缺乏统一的计量精度标准正是造成目前动态汽车衡屡遭计重失准投诉的重要原因。“从±0.1%到±5%，不同等级的产品其精度相差达到50倍。而使用中误差可以是首次误差的两倍，也就是说，使用中不同等级产品的精度可以相差100倍。由于缺乏统一的计量精度标准，我们厂家在生产时很盲目，不知道应该生产哪个精度等级的产品 交通管理部门也很盲目，不知道应该使用哪个精度等级的产品。于是，市场上各种精度的产品种类繁多，鱼龙混杂。这样的结果就是，各地采用的动态汽车衡精度不统一，称重误差也不一样。有的地方使用精度较高的动态汽车衡，有的地方则使用精度较低的产品，这个差别甚至可以达到100倍。同一辆车在不同收费站称重结果不一样也就不足为奇了。”王建军建议，有关部门应制定统一的计量标准，推广高精度的动态汽车衡产品，健全相关法律法规，规范行业发展。　　不是单一的计量问题　　记者调查后发现，大量计重争议的背后并不是单一的计量问题，很多因素都会引起动态汽车衡的计量不准。　　江苏省计量科学研究院刘炜就表示，动态汽车衡的计量特性与交通部门的相关法规不对称是造成设备“计重不准”的重要原因。交通法规规定，超限30%以内(含30%)的车辆，按正常车辆的计重费率计收通行费 超限30%以上的车辆，正常质量和超限30%的部分按正常车辆的计重费率计收通行费，其余部分按基本费率的1.5倍至3倍计收通行费。路政也以超限30%以上为处罚依据。因此看来，在交通法规的规定里，不管是通行费的征收还是超限的处罚，都是以某个绝对的重量数值为依据。但动态汽车衡的动态精度则采用相对精度表示，比如，动态5级产品的使用中允许误差为±5%。当被称车辆总重为50吨时，允许误差为±2.5吨，即称重结果允许在47.5吨至52.5吨范围内。如果有一辆货车，约定真值的总重是50吨，而动态汽车衡称重结果是52吨，从动态汽车衡的计量特性来看，该计重设备计量是合格的。但是，超过50吨就要受到路政的罚款和高于基本费率的收费。合格的计量设备，重量误差也在允许范围内，但却要受到重金罚款，这当然会引起司机的不满，从而引起“计重不准”的纠纷和投诉。　　动态汽车衡自身计量性能不稳定也会影响计重的准确性。曾有媒体报道，广东清连高速安装使用的50多套计重收费装置中，有5套设备在安装使用仅仅两个多月后就坏掉不能再使用了，比例达到10%。检定规程规定动态衡的检定周期为1年，但收费站使用的动态汽车衡，基本上是全天24小时一直处于工作状态，部分收费站车流量太大，动态汽车衡每天要受到上万次的冲击，尤其是一些使用时间较长的设备，本身采用的技术比较落后，日常的维护保养也不够，导致设备重复性波动较大，计量性能极易出现不稳定。　　陕西省计量研究院高级工程师杨发武在接受记者采访时还指出，动态汽车衡的准确性还受安装环境的影响。“按规定，动态汽车衡必须安装在自然水平的地面上，地面平整度误差要小于3毫米，可以说，这个要求是很严格的。但目前很多安装人员不按规程操作，选站地址不合适，在上下坡、弯道安装都是不合要求的。如果选站地址达不到水平要求，设备称量肯定不准。”　　动态汽车衡的特性决定了同一辆车运载同样的货物以不同的方式通过同一个动态汽车衡，称重结果都有可能不同。鲁新光解释，动态汽车衡跟静态汽车衡不一样，静态衡在称重受力后，计量指数能平衡回归，而动态衡记录的是汽车通过秤台时瞬间的最大值，因此，很多因素都会造成称重不准。譬如，车辆经过时，车速不稳、突然踩刹车、加油门等异常过衡都有可能造成称重误差。一般来说，匀速5公里行驶时，计量最为准确。而一些司机为了逃避通行费，使用各种作弊手段，想方设法减轻载重。例如跳秤，车辆在秤台前突然加大油门，使车轮在瞬间微微抬起，跳过秤台，减少称重 绕行，车辆在通过计量衡时，车轮行进绕S形，使秤台受力不均，以减轻称重 垫钢板，乘收费人员不备，在秤台上搭一条弧形的钢板拱桥，减轻称重。专家指出，一些司机因技术把握不好，反而弄巧成拙，加重了车的载重。

在麻省理工学院的bourouiba实验室里，phantom高速摄像机捕捉到了打喷嚏或咳嗽的传播图像。为了应对新型冠状病毒的爆发，除了对理解和限制新型冠状病毒传播至关重要的研究之外，美国麻省理工学院已经暂停了校园内的活动。土木与环境工程系副教授lydia bourouiba在线上继续教授麻省理工学院学生的同时，向埃哲顿中心申请了高速成像摄像机和相关设备的贷款。bourouiba研究小组从phantom制造商vision research长期租赁一台phantom v2511高速摄像机，并积极应用于新型冠状病毒传播学的研究。phantom v2512理解咳嗽或打喷嚏在空气中传播的距离，是理解新型冠状病毒如何在社区中传播的关键。据3月26日《美国医学协会杂志》报道，布鲁巴的实验表明，咳嗽能将飞沫传播13至16英尺远，打喷嚏能将飞沫传播26英尺远。[1]要近距离观察这种运动，需要高速摄像机以每秒数千帧的速度，捕捉尺寸小至5微米直径的液滴如何传播病原体。刊登在《连线》杂志3月14日,他们说冠状病毒不是空气传播的，但是可以通过气溶胶传播的。[2]bourouiba的实验室已经发现，咳嗽和打喷嚏，他们称之为“暴力呼气事件”，会挤出一团空气，并携带各种大小的液滴，“暴力呼气事件”要比普通呼气的传播距离更远。以前的模型可能认为5微米的飞沫只能传播1~2米，所以我们之前认为新冠状病毒通过飞沫传播距离是1~2米。但是从lydia bourouiba的研究表明，考虑到咳嗽的气态形式，同样的飞沫传播距离可达到8米。”参考文献：[1] lydia bourouiba. turbulent gas clouds and respiratory pathogen emissionspotential implications for reducing transmission of covid-19. jama insights. march 26, 2020[2] they say coronavirus isn' t airborne—but it' s definitely borne by air. wierd. 03.14.2020 联系我们：https://www.instrument.com.cn/netshow/sh102493/关于phantomphantom致力于设计和生产高速和超高速数字摄像机，广泛应用于科学研究、工业、机动车、航空航天、影视娱乐等领域。我们一直致力于图像捕捉领域研究和发展，再现转瞬即逝的重要时刻。阿美特克是电子仪器和机电设备的全球领导者，年销售额约为50亿美金。为材料分析、超精密测量、过程分析、测试测量与通讯、电力系统与仪器、仪表与专用控制、精密运动控制、电子元器件与封装、特种金属产品等领域提供技术解决方案。全球共有18,000多名员工，150多家工厂，在美国及其它30多个国家设立了100多个销售及服务中心。