清華新聞網(wǎng)2月23日電 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李星輝副教授團(tuán)隊(duì)與國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作提出了一種基于反射型二維光柵的外差式三自由光柵干涉儀。團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)具有高光敏度、高頻差和高信噪比的雙頻激光系統(tǒng)，基于二維反射型光柵和采用創(chuàng)新的共光路設(shè)計(jì)，搭建三自由度位移測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化外差信號(hào)相位檢測(cè)算法，最終實(shí)現(xiàn)了亞納米的測(cè)量分辨率和重復(fù)定位精度。這項(xiàng)工作將有效推動(dòng)多自由度光柵精密定位技術(shù)的發(fā)展。
多自由度精密定位技術(shù)在納米計(jì)量、顯微成像、精密機(jī)床、半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域具有重要地位。以半導(dǎo)體制造為例，光刻機(jī)是半導(dǎo)體行業(yè)的“掌上明珠”，在先進(jìn)制程的光刻機(jī)中，晶圓臺(tái)需要亞納米位移測(cè)量精度的六自由度超精密定位技術(shù)。當(dāng)前光刻機(jī)常用激光干涉儀和光柵干涉儀對(duì)晶圓臺(tái)進(jìn)行多自由度超精密定位，然而激光干涉儀由于暴露在環(huán)境中的光路長(zhǎng)、難以實(shí)現(xiàn)單測(cè)量點(diǎn)多自由度測(cè)量等限制，會(huì)引入環(huán)境噪聲和阿貝誤差，而以光柵柵距為測(cè)量基準(zhǔn)的光柵干涉儀正成為光刻機(jī)晶圓臺(tái)超精密定位的主流方法。
（a）光刻機(jī)晶圓臺(tái)中“四讀數(shù)頭—四光柵”的六自由度測(cè)量系統(tǒng)；（b）外差式三自由度光柵干涉儀基本原理
針對(duì)光刻機(jī)等先進(jìn)裝備中的超精密定位需求，團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的基于外差干涉原理的三自由度光柵干涉儀，可以實(shí)現(xiàn)亞納米的測(cè)量分辨率和重復(fù)測(cè)量精度，并通過(guò)“四讀數(shù)頭—四光柵”的晶圓臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)六自由度位移/角位移測(cè)量。該外差光柵干涉儀使用一束雙頻激光，通過(guò)二維反射型光柵的四束衍射光產(chǎn)生外差干涉，實(shí)現(xiàn)光柵在X/Y方向上的位移測(cè)量，通過(guò)光柵反射光與固定反射鏡反射光產(chǎn)生外差干涉，實(shí)現(xiàn)光柵在Z方向上的位移測(cè)量，從而完成光柵ΔX、ΔY、ΔZ三自由位移測(cè)量。該方案創(chuàng)新地采用了二維反射型光柵，利于光路系統(tǒng)讀數(shù)頭的集成化和小型化，在未來(lái)應(yīng)用中，可以將讀數(shù)頭和光柵分別安裝于固定部件和運(yùn)動(dòng)部件上，來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件的位移，其相對(duì)于基于透射型光柵的測(cè)量方法具有更廣的適用性。
此外，研究團(tuán)隊(duì)提出并采用了自主設(shè)計(jì)的雙頻激光系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的基于塞曼效應(yīng)的商用雙頻激光器，具備更大更穩(wěn)定的頻差，以及更強(qiáng)的激光功率，可以實(shí)現(xiàn)更高的光源穩(wěn)定性和信噪比以及更大的外差頻率，有利于提升系統(tǒng)的整體精度和測(cè)量速度。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具備0.5納米的分辨率，0.6納米的重復(fù)定位精度和2.5×10-5的測(cè)量線(xiàn)性度。該研究提出的外差式三自由度光柵干涉測(cè)量方法有利于多自由度超精密定位技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)先進(jìn)裝備和精密儀器的發(fā)展具有指導(dǎo)意義，尤其是需要多軸超精密定位的納米科學(xué)和技術(shù)。
（a）自主設(shè)計(jì)的雙頻激光系統(tǒng)；（b）外差式三自由度光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)
（a）三軸分辨率測(cè)試結(jié)果；（b）三軸在10納米和40納米處的重復(fù)定位精度測(cè)試結(jié)果
相關(guān)成果以“三自由度亞納米測(cè)量反射型外差光柵干涉儀”（A Reflective-Type Heterodyne Grating Interferometer for Three-Degree-of-Freedom Subnanometer Measurement）為題，在線(xiàn)發(fā)表在儀器儀表領(lǐng)域期刊《IEEE儀器與測(cè)量匯刊》（IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement）上。
論文第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2020級(jí)碩士生朱俊豪，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李星輝副教授為通訊作者，國(guó)防科技大學(xué)為共同通訊作者單位。該研究得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)科研啟動(dòng)基金、湖南省自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金等的支持。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/9913946/
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
