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超精致高速激光干涉位移勘测本事与仪器
时间:2022-08-07 17:06 点击次数:82

  针对微电子光刻机等高端建理中提出的超过细、高疾位移勘察须要,哈尔滨家当大学深刻探寻了传统的共 光讲外差激光干预勘察办法和新一代的非共光途外差激光过问勘探法子,并在高精度激光稳频、光学非线性过失 正确压制、高速高别离力干预灯号拘束等多项合键手腕方面得到延续冲破,研制了系列超细致高疾激光过问仪,激 光真空波长相对精确度最高达 9. 6×10-10,位移折柳力为 0. 077 nm,光学非线 pm,最大勘察速度 为 5. 37 m/s。今朝该系列仪器已告捷独霸于谁国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和职能测 试界限,为大家国光刻机等高端修立繁盛供应了要说手法支柱和吃紧勘探要领。

  激光干预位移勘探(DMLI)本领是一种以激光 波长为标尺,经过干涉光斑的频率、相位转移来感知位移讯息的勘测妙技。因具有非斗争、高精度、高动 态、勘探到底可直接溯源等特征,DMLI 妙技和仪器被普通运用于质料几多特色表征、精致传感器标定、 详尽行动试验与高端扶植集成等场合。特地是在微电子光刻机等高端筑造中嵌入的超细腻高速激光过问仪,已成为扶助设立完结极限职业精度和职分感化的要求要求和吃紧保证。以而今的主流光刻机为例,其内部平常集成有 6 轴至 22 轴以上的超过细高快激光干涉仪,来实时测量高快动作的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度地点和式样新闻。遵循光刻机套刻精度、产率等区别特点条件,现在对激光过问的位移勘测精度需要从数十纳米至数纳米,并将进一步打垮至原子规范即亚纳米量级;而位移勘察速度必要,则从数百毫米每秒到数米每秒。

  对 DMLI 手艺和仪器而言,教学其勘测精度和勘测速度擢升的告急瓶颈包含激光过问勘察的手段旨趣、干预光源/干预镜组/干预密码办理卡等仪器合键单元特色以及本质勘测碰着的安稳性。盘绕光刻机等高端修设提出的超精致高疾勘探须要,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,永远在高精度激光稳频、高精度多轴干预镜组、高疾高折柳力过问暗记管理等方面接续攻闭并得到不断冲破, 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。但是, 一方面,上述超细腻高快激光干涉勘察手艺和仪器 已被参加有合国家的出口办理清单,不能通俗地撑持大家国现在的光刻机研发坐蓐必要;另一方面,上述手艺和仪器并不能简直满意国内外下一代光刻机研 发所提出的更精确、更高速的位移勘察必要。

  针对所有人国光刻机等高端开发研发的急促需要, 哈尔滨物业大学先后寻觅了守旧的共光路双频激光干涉测量法子和新一代的非共光途双频激光干预勘测门径,并在高精度激光稳频、光学非线性舛讹精 准压迫、高速高离别力干预旗号管制等枢纽妙技方 面得到持续冲破,研制了系列超精致高快激光干涉 仪,可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高判袂力高精度位移勘察,已告成垄断于全班人国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和职能实验界限。该技能和仪器不仅直接为全部人们国目前微电子光刻机研发临蓐供应了要谈本事维持和核心 测量要领,而且还可为大家们国 7 nm 及以下节点光刻机研发供给吃紧的共性手腕积贮。

  共光路多轴过问镜组由双频激光共轴输入,具备抗处境扰乱才力强的优点,是空间治理条款下用于被测主意场所/神态同步精准勘探弗成或缺的手腕门叙,而且是光刻机定位方式精度的保证。该类干涉镜组铺排难点在于,阅历复杂光路中勘测臂和参考臂的光途均衡准备保证干预镜组的热安定性,并体验无偏分光技能和自主策划的光束平行性测量格式,保护偏振正交的双频激光在入射分光及频频反射/折射后的高度平行性

  [19- 20]。而今本课题组研制的 5 轴过问镜组(图 11) 可完结热平稳性小于 10 nm/K、光学非线 nm 以及任性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″异常。

  [2,21],整个组织如图 12 所示,试验可得该过问镜组的光学非 线 pm。并进一步涌现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性欠缺源,筑树了基于虚反射光迹精准安排的干涉镜组光学非线性优化算法,修正并打算了光学非线 pm 的非共光谈干涉镜组[2-3],并履历双层过问光路布局对称安排保障热平定性小于 2 nm/K[22- 25]。同时,本课题组也采纳多光纤高精度平行分光,打垮了共光说多轴干预镜组棱镜组逐级多轴平行分光,以致光轴之间的平行度弱点 逐级累加的固有标题,保护多光纤准直器输出光猖狂 两个光束之间的平行度均小于 5″。

  自助盘算的非共光途多轴干涉镜组。(a)典型镜组的3D部署图;(b)实物图

  基于上述高精度激光稳频、光学非线性弊端无误压迫、高速高诀别力干涉灯号执掌等多项枢纽技 术,本课题组研制了系列超致密高疾激光干预仪 (图 17),其激光后. 077 nm,最低光学非线 pm,最大勘探速度为 5. 37 m/s(表 2)。并告成控制于上海微电子修立(全体)股份有限公司 (SMEE)、中国计量科学搜求院(NIM)、德国联邦物理技能探究院(PTB)等十余家单位 ,在国产光刻机、国家级计量基准安装等高端修筑的研制中论述

  图 17.自决研制的系列超细巧高速激光干涉仪实物图。(a)20轴以上超周密高速激光干预仪;(b)单轴亚纳米级激光干预仪;(c)三轴亚纳米级激光过问仪

  在国产光刻机研制方面,多轴高疾超仔细激光 过问仪是嵌入光刻机并锐意其光刻精度的核心单元之一。然则,一方面欧美国家在瓦森纳条约中明晰法例了该类过问仪产品对我们国庄重禁运;另一方面该类仪器本领庞大、难度极大,全部人国不绝未能完好支配,这厉重制约了国产光刻机的研制和分娩。 为此,本课题组研制了系列超仔细高快激光干预勘测格式,已获胜把握于你国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和机能实验规模,榜样掌管如图 18 所示,其各项枢纽指标均餍足国产前辈光刻机研发必要,打破了海外合系产品对他们国 的禁运紧闭,在国产光刻机研制中发挥了主要重染。在所掌握的光刻机中,过问仪的测量轴数可达 22 轴以上,最大测量疾度可达 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 关 超 稳 定 的 恒 温 气 浴(3~5 mK@ 10 min)和隔振处境,也许对光刻机中双工件台的多维手脚实行线位移、角位移同步勘察与解耦,以知足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益庞大的相对处所/样子勘察需要,进而保险光刻机简直套刻精度。

  在国家级计量基准装置研制方面,何如摆布本原物理常数对质地单位千克进行重新定义,被国际有名学术期刊《Nature》评为近年来全国六大科学繁难之一。在中国计量科学搜求院张钟华院士提出的“能量天平”设计中,枢纽点之一就是驾驭超细密激光过问仪实现高凿凿度的长度勘察,其条件万万勘测精度来到 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,并告成摆布于全部人国首套量子化原料基准安装(图 19),在量子化原料基准中 国准备的实施中起到了关键浸染,并怂恿谁国成为首批得胜加入千复原现国际比对的六个国家之一[30- 32]

  连年来,随着高端设立装备、过细计量和大科学安装等周密工程边界伎俩的迅猛繁华,光刻机等高端维持兴办、能量天同等量子化计量基准安装、 空间引力波探测等远大科学工程对激光干涉勘测技艺提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 广大挑战。对此,本课题组在超详尽激光干预勘测门径、枢纽手艺和仪器工程方面得到了系列打破性生长,下一步的搜索中央急急包罗以下 3 个方面:

  1)缠绕下一代极紫外光刻机的超细密高速激光干涉仪的研制与驾御。在下一代极紫外光刻机中,其搬动工件台动作范围、手脚精度和行动速度将进一步擢升,将要求在大批程、6 自由度庞大耦合、高速举措条件下完结 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正毁谤;极紫外光刻机采用真空任务处境,可减小气氛气流颠簸和氛围折射率引入的勘探漏洞,同时也使实在测量格局结构针对氛围- 真空符闭性准备的庞大性大幅度增进。

  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)拉拢德国科学基 金会(DFG)合股核准了中德结合项目“皮米级多轴 超细腻激光勘察办法、枢纽方法与比对尝试”(2021 至 2023 年)。该项目由本课题组与德国联邦物理手段查究院(PTB)联合告终,估计将决裂研制下一代皮米级精度激光过问仪,并举行国际畛域内的直接 比对。

  2017年美国LIGO地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后,各国纷繁开展了空间引力波探测部署,这些引力波探测器实践上便是巨型的超精细激光干涉仪。其中,中国的空间引力波探测布置,将借助激光干预仪在数百万公里阻隔圭表上,告终皮米精度的超细腻勘探,本课题组在引力波国家中枢研发方法项对象支持下,将接续发展卫星-卫星之间和卫星-平台原料块之间皮米级激光过问仪的企图和搜索,分外是皮米级非线性达成和皮米过问仪尝试比对的做事,预期可对空间引力波探测起到积极的援手感化。本课题组在超详尽激光过问勘探本事与仪器

  20年的物色根源,修成了一支也许全部自助开导整个激光干涉仪核心部件、占有完美自助知识产权的搜索团队,并且在探究历程中得到了12项国家自然科学基金、2项国家科技雄伟专项、2项国家焦点研发陈设等项对象救济,建成了超细密激光勘探仪器手法研发平台和家当化平台,诱导了系列超细密激光过问勘测仪,在国产先辈光刻机研发、我们国量子化原料基准安装等场合乐成操纵,促使了谁国微电子光刻机等高端建立边界的兴旺,并将经过进一步研发,为所有人国下一代极紫外光刻机研发、空间引力波探测、皮米激光过问仪国际比对需要支撑。全文详见:

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