扫描干涉光刻机的超精密移相锁定系统

扫描干涉光刻机移相锁定是实现大面积高精度全息光栅曝光拼接的关键之一。为了实现大面积高精度全息光栅高精度曝光拼接,针对扫描干涉光刻机步进扫描拼接轨迹,重点开展了移相锁定系统的研究。在零差移频式相位锁定分系统和外差利特罗式光栅位移测量干涉仪的基础上,阐述了扫描干涉光刻机的新型移相锁定系统原理。针对新型的移相锁定系统原理,构建了移相锁定控制系统实验装置。最后,基于移相锁定控制实验装置,针对移相锁定定位性能,开展了移相锁定定位控制实验以及影响控制精度的因素分析,实现了±3.27nm (3σ,Λ=251nm)的定位控制精度;针对移相跟踪控制性能,在移相跟踪控制精度实验分析的基础上,利用陷阱滤波PID控制实现了±4.17nm(3σ,Λ=251nm)的跟踪控制精度。     

超精密掩模台位移测量系统热漂移研究

针对28nm浸没式扫描光刻机掩模台的光栅干涉仪位移测量系统,开展了系统热漂移研究,并进行了热漂移测试实验与结果分析。该位移测量系统采用外差对称式四细分的光路设计以及栅距为1μm的二维光栅,配合2048倍电子细分的相位计数卡,其系统分辨力达到了0.12nm。热漂移测试结果显示:该系统的热漂移X向为17.86nm/K,Y向为41.43nm/K。在光刻机掩模台的实际测量环境中,测量环境的温度波动稳定在5mK以内,此时系统的热漂移X向可以控制在0.09nm以内,Y向可以控制在0.21nm以内。实验数据表明系统的热漂移误差小于1nm,满足掩模台亚纳米位移测量精度需求。     

面向浸没式光刻机的超精密光学干涉式光栅编码器位移测量技术综述

超精密平面光栅编码器位移测量技术是32～7nm节点浸没式光刻机的核心技术。通过分析浸没式光刻机平面光栅位置系统的需求和布局,提出了光刻机专用超精密平面光栅编码器的基本需求。针对现有的光栅编码器,开展了基本测量光路方案、相位探测方案、分辨率增强光路方案、离轴/转角允差光路方案、死程误差抑制光路方案的综述分析,提出了现有设计方案面向光刻机应用所需要解决的关键问题。面向亚纳米级测量精度的需求,针对光栅编码器的仪器误差,对周期非线性误差、死程误差、热漂移误差和波前畸变误差进行了综述分析,提出了平面光栅编码器实现亚纳米精度所需要解决的关键问题。本综述为光刻机专用超精密平面光栅编码器的研制提供了参考。     

基于瞳面干涉的自参考干涉仪的研制EI北大核心CSCD

为了用更简单的光学器件使对准标记产生的衍射光实现重叠干涉,同时能够降低对准系统的加工和装调难度,设计了基于瞳面干涉的自参考干涉仪系统。首先,对当前光刻机所使用的对准技术展开研究,以光栅衍射原理和偏振光学为理论基础,提出了用Koster棱镜作为合光器件的自参考干涉仪,最后使用线阵CCD收集信号并将数据用计算机做后续的位置信息处理。由于自参考干涉仪测量系统是以光栅的栅距作为测量基准,而不是使用激光波长,故测量系统受环境因素造成的测量误差影响较小。实验结果表明:系统分辨率为0.2 nm,使得该系统可以达到纳米级分辨率。证明了所设计的干涉仪可用于目前前道光刻机的对准系统,实现纳米级精度的对准测量,从而使光刻设备的套刻精度满足最新工艺节点的要求。     

一种新型三维表面形貌测量仪的研制及应用

介绍了一种新型的基于直线相位光栅干涉三维表面形貌测量仪,该测量仪具有高分辨率、大量程、低成本的特点.该三维表面形貌测量仪由基于直线相位衍射光栅干涉原理的微位移传感器、X-Y二维工作台、立柱、光电探测器以及信号处理电路、计算机及数据处理软件组成.该轮廓仪工作台的工作范围为50 mm×50 mm,最小步距为0.2μm,工作台计量系统的分辨率为0.05μm,微位移传感器理论垂直分辨率可达到0.12 nm,实际测量量程为2 mm,通过更换测杆可以达到6 mm的测量量程.     

Optic Fiber Interferometer For Absolute Distance Measurement

提出一种利用短扫描导轨(100 mm)实现1 m以上绝对距离测量的光纤干涉测距新方法测量系统由定位干涉仪和扫描干涉仪组成,定位干涉仪采用准白光光源实现测量中的定位瞄准,扫描干涉仪完成距离的测量。此外定位干涉仪采用多组光纤干涉结构,各组光纤的光程差由自身系统进行标定,从而实现量程的倍增。实验表明,测量精度达10     

误差补偿技术在相位偏移干涉测量中的应用

在研究泰曼—格林相位偏移干涉仪测量原理基础上，分析了位移驱动器移相误差对五幅移相计算结果的影响，一阶线性误差和二阶非线性误差是相位偏移干涉测量技术中产生相位误差的主要因素；提出了五幅算法移相误差补偿技术，该方法直接从相位偏移干涉图中计算移相过程中存在的一阶及二阶移相误差，对五幅算法结果进行误差修正；采用玻璃平晶为测试对象，建立了泰曼一格林干涉仪移相误差补偿原理试验系统。试验结果表明在同时存在一阶移相误差及二阶移相误差情况下，采用提出的移相误差补偿方法可以将位移测量精度提高6倍，相当于采用氦氖激光器的倍程干涉仪中位移精度达到1．0nm。     

白光干涉表面结构测量仪的优化设计与应用

为测量微机电系统的表面结构,研制了一种基于白光干涉法的表面结构测量仪。设计了显微干涉仪,通过实验分析了显微干涉仪关键设计参数中的光源带宽、物镜数值孔径、孔径光阑大小对垂直扫描白光显微干涉测量中干涉条纹光强分布的影响;设计了Z向一维位移工作台,提出了一种以显微干涉图像灰度值归一化标准方差为依据的白光干涉测量条纹自动搜索定位方法。相关实验结果为白光干涉表面结构测量仪的优化设计提供了参考依据。     

大行程纳米级定位工作台的结构设计

考虑采用静态三步拼接曝光法的扫描干涉场曝光系统的性能与工作台的定位精度及稳定性相关,设计了一种大行程、高精度二维工作台以提高其定位精度。采用摩擦驱动和压电陶瓷微位移机构组合的方式构成宏、微进给机构,由闭式气体静压导轨带动工作台实现沿X、Y两个方向的光栅分度与扫描运动。优化设计了摩擦驱动机构和气体静压导轨结构,并对工作台整体结构固有频率进行了有限元分析。使用自准直仪检测了导轨在X、Y方向的直线性,结果显示其两方向偏航和俯仰精度均在±0.04μm以内。使用激光干涉仪检测了导轨在X方向的定位精度和定位噪声,结果表明,对X向行程为220mm、Y向行程为300mm的工作台,其X方向的定位精度优于±5nm,定位稳定性可达±25nm。得到的结果满足扫描干涉场曝光系统工作台纳米级定位精度的要求。     

高精度衍射光栅干涉式测量系统的主要误差分析与仿真

设计了一种高精度位移传感器——衍射光栅干涉仪系统。该系统利用半导体激光器作为光源,衍射光栅作为长度标准,其光学原理可以利用多普勒效应来阐述。给出当光栅存在沿X向、Y向上的位移偏差和绕X轴、Y轴和Z轴的转动误差时,引起干涉条纹质量变化和测量误差的定量关系,为测量系统在实际应用中进行误差修正提供依据。经分析可知,光栅沿X轴(光栅运动方向)、Y轴(光栅刻线方向)和Z轴的偏移几乎不会导致条纹信号变化;当光栅沿着X轴旋转时,条纹方向和间隔均发生了变化;当绕Z轴旋转时,条纹间隔没有变化但是方向发生了变化;当沿X轴和Y轴旋转后,条纹位置分别向右和向下移动。光栅沿Z轴移动误差小于0.05mm,绕X轴和Z轴旋转误差小于0.002rad,绕Y轴旋转误差小于0.005rad时,满足测量范围为1000mm时,精度为±3μm测量的要求。     

Real-time displacement measurements with a Fabry-Perot cavity and a diode laser

We present the basic operating principles of a traceable measurement system suitable for use with atomic force microscopes (AFMs) and nanometer-resolution displacement sensors. Our method is based upon a tunable external-cavity diode laser system which is servo-locked via a phase-modulated heterodyne locking technique to a Fabry-Perot interferometer cavity. We discuss mechanical considerations for the use of this cavity as a displacement metrology system and we describe methods for making real-time (sub 10 ms sampling period) measurements of the optical heterodyne signals. Our interferometer system produces a root-mean-squared (RMS) displacement measurement resolution of 20 pm. Two applications of the system are described. First, the system was used to examine known optical mixing errors in a heterodyne Michelson interferometer. Second, the Fabry-Perot interferometer was integrated into the Z axis of a commercial AFM scanning stage and used to produce interferometer-based images of a 17 nm step height specimen. We also demonstrate atomic resolution interferometer-based images of a 0.3 nm silicon single atomic step-terrace specimen.     

A high performance one-dimensional homodyne encoder and the proof of principle of a novel two-dimensional homodyne encoder

Displacement laser interferometers and interferometric encoders currently are the dominating solutions to the displacement measurement applications which require measurement uncertainties in the order of a few nanometers over hundreds of millimeters of measurement range. But, in comparison with interferometric encoders, to achieve nanometer order or even lower measurement uncertainties, displacement laser interferometers require much stricter environmental control if not vacuum, which will increase their Total Cost of Ownership (TCO). Therefore interferometric encoders are getting more and more preferable. Furthermore, for some applications, the measurement of the out-of-plane displacement is required as well. Therefore, in this work, a one-dimensional interferometric encoder was built and investigated, a novel two-dimensional (one is in-plane, the other one is out-of-plane) interferometric encoder was devised and its principle was proven experimentally. For the one-dimensional encoder, a periodic nonlinearity of ±50 pm with HEIDENHAIN EIB 741 and a periodic nonlinearity of less than ±10 pm with a home built phase meter and off-line Heydemann correction were identified through a comparison measurement with a differential heterodyne interferometer. In addition, this one-dimensional encoder was identified to have a better measurement stability compared to the differential heterodyne interferometer.     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

光纤F-P微位移测量实验研究

利用光纤自聚焦透镜作为F-P干涉仪的反射面,根据F-P干涉光谱相邻波峰之间的波长差与其干涉腔长之间的关系,实现微位移的测量。克服了光强型F-P传感器测量结果受光源波动影响、难以识别位移方向等缺点,可直接测量绝对位移,并可识别位移方向。经实验得到其位移测量误差小于2.5nm。     

外差干涉仪光路调节方法及对拍频的理解

外差激光干涉仪由于测量精度高,环境适应能力强和实时动态高速测量等特点而广泛应用于机床误差的实时监测中。外差激光干涉仪中,使用平面镜作为转向装置时,接收器上的两束光有可能只是相交而不是重合,这给光路的调节增加了很大的难度。针对这一问题,提出一种辅助光路调节方法,先将光路切换到单频干涉仪,调好光路,再切换到外差干涉仪,利用单频干涉条纹的直观性能可看出外差干涉仪光路调节的好坏。理论分析和实验结果表明,提出的调节方案具有可行性,效果良好,同时通过从单频切换到双频能更深入地理解拍频。     

Improvement and validity of shock measurements using heterodyne laser interferometer

The improvement and validity of shock measurements using only the laser head (heterodyne laser interferometer) of a commercial laser Doppler vibrometer was investigated by comparing acceleration waveforms measured by a homodyne laser interferometer with those measured by a heterodyne laser interferometer. The acceleration waveforms were generated from the displacement waveforms obtained with a reference quadrature homodyne laser interferometer by applying a numeric differentiation process twice. The differences between the two acceleration waveforms were found to be small with the measurement uncertainty in case of high acceleration level. In a further investigation, the accuracy of the shock measurements taken by the homodyne and heterodyne laser interferometers were compared in computational simulation. The results indicated that the accuracy of the heterodyne laser interferometer was superior to that of the homodyne laser interferometer.     

一种滚转角和直线度同步干涉测量方法的研究

提出一种用于精密线性位移台滚转角和运动直线度同步测量的激光外差干涉系统。该干涉系统由一个Koster棱镜、角隅棱镜、分光镜、1/2波片、直角棱镜、1/4波片以及楔面棱镜和楔面反射镜组成。楔面棱镜作为测量运动直线度和滚转角的传感器固定在线性导轨上,当双频激光器的光射入干涉系统中后,形成空间对称的六光束测量信号。空间结构对称、系统共光路的特点使光学分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高一倍,光程死区达到最小。系统稳定性好,抗环境干扰能力强。光路对称使得增加或减小的光程变化相同,其他自由度引起的光程变化相互抵消,仅有运动直线度和滚转角的变化可以进入光程差,有效地排除其他自由度及阿贝误差的串扰,实现高精密测量。试验证明相互平行且不同频率的两束光在同一反射系统中发生运动直线度偏移和滚转角变化时,通过两束光携带的不同相位信息能直接得到运动直线度和滚转角的变化值。它不需要一条与行程同样长度的大反射镜作参考便能够实现高分辨率测量,简单实用,可直接溯源米定义。     

Highly precise and stable displacement-measuring laser interferometer with differential optical paths

To achieve sub-nm precision of a displacement-measuring laser interferometer, its optical systematic error should be made as small as possible. In this paper, methods to reduce the optical path length changes and stray light reflections, as well as materials appropriate for main optical elements in the optical layout and the holders, are discussed. As a solution, a complete differential interferometer using a quartz plate inclined 45° to the optic axis is presented. This interferometer has null dead path length, fewer and smaller optical elements, and fewer boundary surfaces with air than conventional differential interferometers. Adopting the athermal glass (Ultran30) for interferometric prisms and aluminum alloy (A5056) for the interferometric prism holder was effective in reducing the drift of measurement caused by thermal changes. The interferometer made of Ultran30 glass with a A5056 holder achieved 0.31 nm/K thermal drift in the displacement measurement.     

采用相位调制方法的光纤干涉仪

为了实现小巧紧凑且使用灵活的大量程位移测量,提出了一种采用相位调制方法的光纤干涉仪。首先,介绍相位调制方法,分析内调制与外调制的特点,指出由于内调制的局限性,外调制更适于较大量程的位移测量。然后,用数学推导和MATLAB仿真对已有的位移解算算法中的反正切法与微分交叉相乘法进行分析,证明在毫米级量程的位移测量中反正切法优于微分交叉相乘法。最后,搭建了采用相位调制方法的光纤干涉仪,并进行了实验验证。实验结果表明:相比于微分交叉相乘法,反正切法更适用于毫米级以上量程的位移测量,基于相位调制的光纤干涉仪在毫米级步进运动中的相对误差最大为255.21nm,标准差为78.56nm,基本满足高精度大量程的位移测量需求。     

大尺寸光学元件在位动态干涉拼接测量系统

为了满足车间条件下大口径光学元件的高精度在位、在线检测的迫切需求,本文构建了一个适于一般环境下应用的动态干涉拼接测量实验系统。该系统由动态干涉仪、二维移动平台、控制系统及拼接软件等部分构成。应用该系统对200mm×300mm×20mm的光学元件在一般应用环境下进行了拼接测量实验,采用误差均化拼接算法进行拼接,并对拼接后的结果进行分析处理,比较拼接测量与全口径测量结果,PV值的相对误差为3.1%,RMS值的相对误差为1.6%,Power值的相对误差为2.1%。该系统为在车间环境下建立大口径光学元件在位检测建立了基础。