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。     

空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪

为了实现平面二自由度位移测量,设计并搭建了空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪,并对所设计的光栅干涉仪的光学结构、测量原理、面内旋转安装误差补偿等进行了研究。基于平面光栅衍射特性和空间分离式外差光栅干涉结构设计并搭建了具有对称性的测头光路,结合实际光学器件的特点,利用琼斯矩阵分析了二自由度测量原理与显著降低周期非线性误差的特性。通过实验测定了光栅面内旋转安装误差以便于应用旋转矩阵对测量数据进行解耦。随后利用矩形和圆形轨迹分别验证了两测量轴在各自和同时运动的情况下,所设计的平面光栅干涉仪的测量能力。实验结果表明,在解耦补偿0.350°的光栅实际面内旋转安装误差的前提下,该空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪能够实现压电位移台30μm内的位移测量,主要由机械振动等因素引起的误差不超过0.15μm。本研究将空间分离式外差光栅干涉仪的测量维度拓展到了平面二自由度。     

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。     

光栅编码器发展现状与展望

一、引言 编码器用于检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数,把角位移或直线位移转换成电信号。工业用编码器从原理上主要分为光学式（也称光电式）编码器和磁电式编码器两种。光学式编码器分为两大类,一类称为光栅旋转编码器,定义为：由一系列规律性刻线组成的圆光栅作为测量基准,并用于旋转运动测量的编码器：另一类称为光栅角度编码器,定义为：由一系列规律性刻线组成的圆光栅作为测量基准,并用于角度测量的编码器。     

基于光电编码器的位移测量系统

现代工业测量直线位移对精度的要求越来越高,但是传统的直线位移测量装置操作困难、价格高、精度低,然而光电旋转编码器操作简单、价格合理、体积小、精度高,所以选用光电旋转编码器作为位移测量的核心器件.以测量直线位移为目标,把光电旋转编码器作为系统的测量位移器件,把STC89C52单片机作为系统的控制核心,设计了一个位移测量系...     

光栅-平面镜型可调式空间外差光谱仪

针对空间外差光谱技术测量光谱范围较窄(10nm左右),制约其应用范围的问题,提出了一种光栅-平面镜结构的可调式空间外差光谱仪系统。该系统将传统的双平面光栅式空间外差光谱仪中的一块光栅换成平面镜,让另一块光栅可旋转来组成可调式结构;通过旋转光栅切换测量波段,展宽其测量范围;对平面镜施加微小俯仰角以确保谱图还原的单值性;从而拓展了仪器的应用范围。搭建了原理样机并对其性能进行了实验验证。结果表明,设计的仪器的光谱范围达到了100nm左右,分辨率优于0.29nm。该仪器结构简单,光栅制作难度低,易于实现谱图还原。另外,通过增加光栅旋转切换次数和引入抑制杂光措施等手段,还可进一步展宽波段范围,提高系统光谱分辨率。     

超精密定位平台的测量系统研究

超精密工作平台已经成为IC和MEMS等行业完成加工、测量工作的基本设备平台。如何提高平台测量系统的精度,从而提高平台的定位精度是目前超精密工作平台所面临的一大难题。对现有的超精密工作平台的基本结构以及常见的精密测量系统进行了综合分析,详细介绍了一种新型的测量装置——平面编码器的工作原理。     

空间调制外差干涉型偏振光谱测量系统

鉴于偏振光谱仪系统追求的目标是高偏振光谱分辨率、全Stokes谱静态测量、兼顾小体积轻质量,结合偏振光谱强度调制技术与空间外差干涉技术,提出空间调制外差干涉型偏振光谱仪系统。介绍了空间调制外差干涉型偏振光谱仪系统的结构原理,并对系统干涉图数据采集和全Stokes矢量解调复原进行了理论分析,给出了完整数学推导。结合空间外差光谱仪参数,匹配设计了调制器模块,给出一套完整的设计实例。在实验室搭台建立空间调制外差干涉型偏振光谱仪原理实验装置,通过对已知偏振态线偏振光的测量实验以及实验数据解析,验证系统原理及测量数据处理流程的正确性。结果表明：几种已知偏振态的线偏振光,由实验装置测量数据解析得到的Stokes矢量谱与理论分析结果基本一致,误差小于3%,验证了空间调制外差干涉型偏振光谱获取技术的可行性。     

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。     

基于衍射光栅计量系统的非接触轮廓测量位移传感器

聚集检测法是一种非接触轮廓测量方法,但是现有的聚焦检测法采用音圈电机,其测量精度有限.针对此问题,文中提出了一种非接触位移传感器,该传感器基于改进的傅科聚焦检测法,并带有衍射光栅计量系统.通过压电驱动器取代音圈电机驱动,并配合位移计量系统,提高了传感器的测量精度.在表面轮廓采样时,根据聚焦偏差信号,压电驱动器驱动聚焦透镜作垂直运动,使焦点始终在工件表面,同时衍射光栅计量系统测得聚焦透镜的垂直位移并将其作为采样点的轮廓高度.所有采样点的位移显示出被测量表面的整个轮廓,评定软件处理这些位移数据即可获得测量结果.该非接触的位移传感器的分辨率为10 nm.     

集成激光位移传感器和编码器的曲面仿形测头研究

为实现对大量程自由曲面的高精度仿形测量,提出了一种利用闭环运动控制技术集成激光位移器和线性编码器的新方法。采用线性编码器和精密线性机构以及运动控制卡组成Z向位移量伺服随动系统,步进电机自动调整激光位移传感器位置使其工作在中心范围(95～105mm)内,线性机构位移量可由线性编码器测量得到,自由曲面的起伏变化可通过激光位移传感器和线性编码器的输出而得到。与激光位移传感器进行了线性度、示值误差以及重复性等精度参数对比实验,结果表明系统在扩大测量范围的同时具备较高的测量精度。     

Development of an inductive encoder for simultaneous measurement of two-dimensional displacement

Two-dimensional measurements are usually performed by two one-dimensional devices. In this paper, a simple method is developed, which can directly measure the displacements in two dimensions. The measurement is based on inductive method where a flat coil moves on another flat coil and the induced voltages give the displacements in x and y directions. In this research, five flat coils with special patterns are used. One is stationary and four others make the moving part. When moving part moves on the stationary surface, two of the moving coils detect the displacement in x direction and the other two detect the displacement in y direction. The patterns of the coils are designed in a way that there is no interference between axes, i.e., movement in one dimension has no effect on data of other dimension. The experimental results show the effectiveness of the concept. Resolution of 10 μm and no interference between axes are achieved. Better resolution is expected if more precise experimental device is provided.     

Modeling and verifying non-linearities in heterodyne displacement interferometry

The non-linearities in a heterodyne laser interferometer system occurring from the phase measurement system of the interferometer and from non-ideal polarization effects of the optics are modeled into one analytical expression which includes the initial polarization state of the laser source, the rotational alignment of the beam splitter along with different transmission coefficients for polarization states and the rotational misalignment of the receiving polarizer. The model is verified using a Babinet Soleil Compensator allowing a common path for both polarization states and thereby reducing the influence of the refractive index of air. The verification shows an agreement of the model with measurements with a standard deviation of 0.2 nm. With the use of the model it is confirmed that the mean of two polarizer receivers can reduce the effect of non-linearity. However, depending on the accuracy of the polarizer angles, a second-order non-linearity remains. Also the effect of rotational misalignment of the beam splitter can not be reduced in this way.     

Vacuum measurement using total-internal-reflection heterodyne interferometry

Based on the effect that the phase difference between s- and p-polarizations at the total-internal-reflection is changed with the variation of the air refractive index, which is related to the air pressure, a new optical method for measuring the air pressure of a vacuum cavity is proposed. From the experimental curve of the phase difference variation measured by the heterodyne interferometry and the calibrated pressure measurement of a vacuum cavity, an empirical formula is derived. With this empirical formula, the measurable range of this new optical method is 760 to 0.1 torr.     

图像式角位移测量的光栅偏心度监测系统

图像式角位移测量装置中,光栅的安装偏心标定结果直接影响着角位移测量的精度。为此,本文设计了一种用于调试图像式角位移测量装置光栅偏心度的系统。首先,根据图像式角位移测量机理,提出了基于线阵图像传感器的标定光栅偏心度监测原理;然后,在图像传感器上建立了偏心调试监测信号的模型,并提出存在偏心时偏心监测信号的变化机理;最后,对某型号角位移测量装置进行了实验,并给出了调试建议。实验表明,经过调节误差均方差由1017″降低到12.8″。本文设计的偏心监测系统能够实现对标定光栅的高精度安装调试,提高了图像式角位移测量装置的批量生产效率。     

全视场外差短相干形貌测量技术

针对工业检测中对微米量级测量精度、秒级测量时间的检测需求,提出了全视场外差短相干形貌测量方案。本方案采用短相干光源,实现大步长测量,节约扫描时间;采用全视场外差技术,实现干涉轮廓的快速反演,在抑制振动、直流噪声对测量精度影响的同时,提高数据反演的效率。搭建了实验验证系统,对测量时间和测量精度进行了实验验证,结果表明,系统的探测时长小于10 s,测量精度优于2μm。后续经进一步优化设计,探测时间可小于5 s,探测精度优于微米量级。该方案具有测量速度较快和测量精度较高等优势,在对效率要求较高的工业检测领域具有一定的应用前景。     

纳米级位移分辨率双光栅系统的多普勒分析

使用多普勒理论分析了一种典型的具有纳米级位移分辨率的双光栅测量系统.在以往的文献中,只是简单的列出光栅系统的位移测量公式,对系统的工作原理分析避而不谈.文中首先给出了系统的光路结构,分析了光栅的衍射序列,然后对光束入射和出射光栅的多普勒效应进行了数学建模,得到了最终的位移测量值与光学莫尔条纹之间的关系.最后分析了参考光栅的作用,并给出了这种系统的特点.     

基于改进自动网格法的嵌入式应变测量系统

为了实现应变测量系统的智能化、低成本、非接触实时检测,针对橡胶材料大应变测量的特点,研制了基于改进自动网格法的嵌入式非接触应变测量设备.以高性能达芬奇DSP芯片TMS320DM6437和CMOS图像传感器为核心构建了一套集图像采集和图像处理于一体的处理模块,并使用控制芯片S3C2440实现整体控制功能.针对传统自动网格法在嵌入式应用中的缺点进行改进,在其基础上设计了适用于嵌入式系统的新的算法,并针对DSP硬件结构特点进行了优化设计.在完整系统上对橡胶材料进行了非接触纵向拉伸试验,实验结果表明本系统能够实时准确地计算出应变结果,验证了技术方案及算法的可靠性,图像处理速度达到20帧/秒,应变的测量范围超过了100％.     

平面正交光栅仪测量加工中心位置精度

介绍一种测量加工中心位置精度的仪器——平面正交光栅。简述其结构、工作原理、安装、测量以及特点等。