超精密空间分离式外差利特罗平面光栅编码器位移测量系统

面向浸没式光刻机双工件台的超精密位置测量应用需求,提出了一种超精密空间分离式外差利特罗平面光栅编码器位移测量系统.给出了测量系统的原理与方案设计、系统各部件的设计及制造、编码器测量原理推导及实验验证等.所设计平面光栅编码器位移测量系统的相位卡的细分率为4096,测量分辨率为x50 pm/z25 pm.实验结果表明:该平...     

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。     

刀口半影最小化的光刻机扫描狭缝研究

扫描狭缝是步进扫描光刻机中控制曝光剂量的重要单元,而扫描狭缝产生过大的刀口半影会影响曝光性能。首先,根据步进扫描光刻机照明原理,通过分析掩模面上光强分布与扫描狭缝刀口厚度及位置的相对关系,推导出掩模面上刀口半影宽度的计算公式,同时针对数值孔径NA为0.75的光刻机照明系统模型分别对非共面和共面扫描狭缝在掩模面上的刀口半影进行仿真分析;研制了一种四刀口共面的高精度扫描狭缝装置,不仅满足步进扫描光刻机的同步性能需求,并且有效减小了X向和Y向的刀口半影;最后对所研制的扫描狭缝动态性能以及掩模面上实际刀口半影进行了测试。结果表明,当最大扫描速度达到470mm/s时,扫描刀口动态跟随误差始终在±30μm以内,同时两个方向的刀口半影均不超过0.5mm,满足90nm分辨率步进扫描光刻机的需求。     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

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。     

光栅尺位移测量系统热态特性分析

以光栅尺位移测量系统为研究对象,考虑直流电机和激光电磁热等热源对测量光栅以及读数头等光栅尺位移测量系统主要部件的影响,应用COMSOL有限元分析软件对测量光栅和读数头镜组进行了热-结构耦合分析。结果表明:测量系统工作1h,测量光栅附近温度升高1℃,达到稳态时的光栅最大形变值为0.49μm,由此带来的光栅在X方向上的零位漂移误差和示值误差最大可达到-0.49μm;读数头镜组最大形变值为0.09,平均热漂移系数为0.05,镜组温度和折射率呈现出明显的梯度分布。研究结果为实际工程应用中纳米级位移测量的环境控制提供了参考。     

基于最小二乘法的光栅干涉传感细 分误差校正研究

针对纳米级分辨率光栅干涉传感中存在的细分误差问题,对光栅干涉传感的细分原理、传感信号中的噪声以及非线性误差等方面进行了研究。采用数字细分方式,对传感光电信号进行了数字滤波处理以降低噪声信号干扰,对传感信号中存在幅值波动、直流电平漂移以及相位非正交性等缺陷建立了非线性误差模型,并基于最小二乘原理提出了一种非线性误差修正方法;利用纳米二维定位平台对光栅干涉传感系统进行了测试。研究结果表明:在50 nm步距以及200 nm步距两组等位移量连续测量的测量列中,非线性误差修正后测量列的标准差较修正前均有显著的降低,说明光栅干涉传感信号经非线性误差修正处理后可以较明显地校正细分误差,提高细分精度。     

通用光栅数显装置的研制

为了实现光栅传感器的位移测量,文中研制了一台通用光栅传感器数显装置.该装置通过差分放大器、比较器对输出模拟信号的光栅传感器进行信号处理,与输出数字信号的光栅传感器共用位移测量系统.运用阵列逻辑GAL实现光栅信号的四细分和辨向,利用单片机对GAL输出的细分辨向信号进行计数,通过数码管实时显示光栅传感器的位移测量结果.通用光栅传感器数显装置的研制实现了对模拟/数字信号的测量功能,提高了通用性.     

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。     

三维精密位移系统的设计

为满足精密位移的需要,研究开发了一种大行程、纳米级和计量型三维精密位移系统。采用模块化结构设计,即3个方向的驱动机构均采用完全相同的设计结构,分别称为X、Y、Z向一维工作台。位移系统在X、Y、Z3个方向采用粗、精两级驱动,并分别装有计量光栅。各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行,精驱动采用压电陶瓷微位移器配合柔性铰链进行,每个方向的两级驱动共用一套计量光栅,从而保证了位移系统的大行程、纳米级和计量型。介绍了位移系统的结构设计,分析了位移系统的位移分辨率、计量原理以及它的运动性能。实验表明,在40mm位移行程内,X、Y和Z向工作台两级驱动实际位移与设定位移之差分别不超过±0.030、±0.028和±0.033μm,验证了位移系统设计的有效性,为位移系统的设计提供了依据。     

大行程纳米级共平面二维精密工作台的研究

研究开发了一种大行程纳米级共运动平面二维工作台,该工作台采用宏/微两级驱动,宏驱动由滑动导轨、直流无刷电机、精密丝杠组成,微驱动由平行平板柔性铰链和压电陶瓷组成。对平行平板柔性铰链进行了力学分析,并推导计算了其固有频率。工作台移动范围为50mm×50mm,可实现5nm的运动分辨率。工作台在X、Y方向分别装有衍射光栅计量系统,宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量,计量系统的有效位移分辨率为2.3nm。该二维工作台具有通用化和小型化特点,可以用于微纳米表面的测量与微机电系统的控制与加工。     

机械零件三维表面形貌测量与评定的研究

介绍了机械零件三维表面形貌的测量与评定,分析了激光干涉式位移传感器的光学原理和干涉条纹信号的细分方法.激光干涉式位移传感器的精度达到了5nm左右.另外,带计量系统的二维工作台也是整个测量系统的关键部分.因为采用了光栅尺作为二维工作台的计量系统,所以在表面形貌的测量过程中二维工作台在X和Y两个水平方向上都能获得精确的定位.     

基于小波变换瞬时频率优化的相位细分方法

为了提高光刻机运动台的位移测量的精度,需要对测量系统得到的干涉信号进行细分处理。因此提出了一种在时域中对信号相位细分的方法,根据确定细分点频率方法的不同设计了2种相位细分方案。在使用小波变换提取信号瞬时频率的过程中,为了降低由于小波变换离散化引入的误差,设计了基于拟合函数的多拟合函数联合优化的方法,对信号进行平滑处理。仿真结果表明:经过相位细分后的单个细分相位的位移精度为0.8 nm,经优化后细分相位的相位误差降低到2.831×10~(-5) rad,降低至优化前的14.8%,经过换算位移误差降到1.870×10~(-3) nm,达到测量系统的预期效果,证明了相位细分方案的可行性。     

基于布拉格光纤光栅的微位移传感器的研究

微位移测量是目前热点研究领域,光纤布拉格光栅作为良好的传感元件,已被用于微位移测量领域。本文首先对布拉格光纤光栅传感的基本原理进行了分析,在此基础上设计制作了一种光纤光栅位移传感器。采用布拉格光纤光栅作为传感元件,利用自解调法进行波长解调,然后设计一整套传感系统,对微位移量进行了传感测量。利用激光干涉仪和PI微动平台对系统性能进行测试,实验结果显示传感系统分辨率达到50nm,系统回零重复性的误差26nm,系统的灵敏度为21mV/μm,最大非线性引用误差为2.45%。     

一种基于相位光栅干涉微位移传感器的研制

高精度微位移传感器是表面计量技术的关键技术之一.文中介绍了一种低成本、高精度的接触式微位移传感器.该传感器采用平行簧片实现精密直线运动,相位透射型正弦衍射光栅作为计量光栅实现高精密的位移测量.文中分析了其测量原理、光学原理、干涉条纹的光电接收以及辨向、细分.理论分析和实验应用结果表明该传感器垂直分辨率可达到nm级,测量量程为2 mm,可以用于微纳米表面形貌和轮廓的测量.     

一种新型三维精密位移系统的设计与分析

研究开发了一种新型的大行程、纳米级和计量型三维精密位移系统。精密位移系统采用模块化结构设计，三个方向的驱动机构均采用完全相同的设计结构，分别称为X、Y、Z向一维工作台。位移系统在X、Y、Z三个方向采用粗、精两级驱动，并分别装有计量光栅。其中X、Y两个方向的驱动机构水平放置且为上下层叠式，Z方向上的驱动机构垂直放置。各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行驱动，精驱动采用压电陶瓷微位移器配合柔性铰链进行驱动，每个方向的两级驱动共用一套计量光栅，从而保证了位移系统的大行程、纳米级和计量型。介绍了位移系统的结构设计，分析了位移系统的位移分辨率、位移系统的计量原理以及位移系统的运动性能，从而为位移系统的设计提供理论依据。     

梦之线光栅单色器温度起伏对能量漂移的影响

为了确保光栅单色器温度起伏引起的能量漂移不影响光束线的表观能量分辨率,建立了单色器高精度的恒温环境。结合上海光源梦之线设计,根据光栅衍射方程推导出单色器温差与能量漂移之间的关系;据此设计了沿光束方向温度起伏较小的单色器恒温环境,测试了温度控制系统不同条件下的长期温度稳定性,并通过长时间多次测量氮气K边吸收谱的方法,得到了相应的能量漂移。结果显示:温度控制系统未启动的情况下,棚屋内最大温度变化约为0.62K,测得的能量漂移约为49 meV;温度控制系统使用独立冷水机时,最大温度变化约为0.20 K,相应的能量漂移约为17meV。实验表明,建立的单色器恒温环境满足设计要求,使得单色器温差引起的能量漂移对梦之线表观能量分辨率的影响得到有效控制。     

光栅三坐标大齿轮测量仪

本文介绍一种旁置式大直径齿轮多参数测量仪,可在加工机床上对渐开线齿形、齿向、齿距等多种参数进行在位测量, 一、测量仪器结构简介 本仪器采用三坐标光栅数显测量系统,接计算机处理数据,X和Y方向用V形滚珠导轨,Z向用双立柱密珠导轨。并用液压装置控制Z向滑架升降。X向部件装在Y向滑板上,Y向部件装于Z向滑架上。X向滑板可在重     

用于1 m Seya-Namioka单色仪的 1 200 lp/mm Laminar光栅

针对国家同步辐射实验室燃烧与火焰实验站中1 m Seya-Namioka 单色仪对光栅的需求,采用全息离子束刻蚀工艺制作了1 200 lp/mm Laminar光栅。首先,通过光刻胶灰化技术调节光刻胶光栅掩模占空比,在理论设计的误差允许范围内,对此光栅掩模进行扫描离子束刻蚀;然后,将光栅图形转移到光栅基底中去除残余光刻胶;最后,采用离子束溅射法镀制厚约40 nm的金反射膜,采用热蒸发法镀制厚约60 nm的铝反射膜。用原子力显微镜分析光栅微结构,结果显示光栅槽深为40 nm,占空比为0.45。同步辐射在线波长扫描测试结果表明,镀铝光栅效率明显高于镀金光栅,获得的实验结果与理论计算结果基本符合。镀金光栅已替代进口光栅在线使用3 年,其寿命大大超过复制光栅,基本满足了燃烧实验站的实验研究需求。     

精密位移动态测量信号特征辨识及细分新方法研究

针对数字化精密机械测量仪器和装备需要解决位移传感器信号的高倍数、高精度细分问题,通过对光栅位移测量模型的研究提出采用测量基准转换的思维方式构建空间序列理论。通过对各运动状态条件下精密位移动态测量信号的多尺度分解实现特征辨识,从而构建用于动态位移信号细分的自适应预测模型及相关细分误差实时修正技术。实验研究表明此方法可以实现圆光栅栅距内400倍细分,角位移细分误差-0.19″~0.27″。