双频激光干涉仪

光刻机定位双频激光干涉仪

发布日期：

2005年10月20日

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光刻机定位双频激光干涉仪

1.项目概述

双频激光干涉仪以其特有的同时具有大测量范围、高分辨率、高测量精度和高速度等优点，在精密和超精密测量领域获得了广泛的应用。双频激光干涉仪采用外差干涉测量原理，克服了普通单频干涉仪测量信号直流漂移的问题，具有信号噪声小、抗环境干扰能力强、允许光源多通道复用等诸多优点，使得干涉测长技术能真正用于实际生产。例如，精密坐标机床的标定、高精度传感器的标定、半导体工业中的高精度模板的制造和定位、以及构成多坐标精密定位多轴运动系统等。

中科院上海光机所在上海市科委光科技专项二期项目支持下，完成了“光刻机定位双频激光干涉仪”样机。以100nm线宽步进扫描投影光刻机工件台定位需求为研制目标，对双频激光干涉仪系统的关键技术进行了攻关，已经成功研制出一台高精度、高速度、大范围的双频激光干涉仪实验室样机，如图1所示。该仪器核心技术是分辨率的提高和改进，取得6项专利，拥有自主知识产权。

2.国内外技术、应用现状及应用领域

1）国内外技术

双频激光干涉仪首先由美国HP公司研制成功并获得专列权。第一批定型产品为5500A，于1970年投放市场，它的量程达到61m，测量精度为5×10-7，测量速度达330mm/s。其后HP公司又研制了其他派生产品，如5526A除了能测长度以外，还能测速度、角度、平面度、直线度和垂直度，还可以用来测震及进行X-Y微动台的定位，用途极为广泛。其他国家在这方面做了不少工作，投入市场的还有英国的Renishaw、美国的ZYGO、法国SORO和日本横河等公司。

我国从七十年代，清华大学、北京计量院、机械部成都工具研究所等科研部门就已开始研制双频激光干涉仪样机，至今已经有二、三十年历史。成都工具研究所有商品化仪器出售,但分辨率比较差。

尽管国外双频激光干涉仪水平比较高，但价格高，特别是高档次的产品对我国禁运，而国内产品不能满足高精度先进制造技术方面的需求。在此情况下，上海光机所在上海市科委二期光科技项目的资助下，经过二年多攻关，在关键技术上有所突破，研制出纳米精度双频激光干涉仪实验室样机，其分辨率达到

1.24nm，测量精度达到10nm量级，测量速度高于100mm/s，测量范围大于500mm。 2）应用现状

双频激光干涉仪是先进制造技术尤其是高精度步进扫描投影光刻机工件台定位不可缺少的测量工具，是其它的测量工具所不能替代的。另外，双频激光干涉仪可通过与不同的附件组合，进行长度、速度、角度、平面度、直线度和垂直度等的测量。

高精度快速双频激光干涉仪，主要用于精密工件台的位置测量系统上，特别是用在步进扫描投影光刻机的工件台的精密定位系统，其作用是：（1）参与确

定工件台的初始坐标；（2）确定工件台的瞬时坐标；（3）为工件台的定位伺服系统提供速度和位置信息，完成硅片与掩模台的对准等。

根据IT行业国际权威人士预测，未来3年全球将新建20～25条硅片生产线，其中少则10条、多则15条会在中国兴建。一条硅片生产线需要20～30台不同型号的光刻机，未来几年就中国市场来说，光刻机有可能增加达数百台套。因此光刻机定位用双频激光干涉仪有很大的市场前景。

3）应用领域

激光双频干涉仪测量精度影响因素有十项之多，其中如波长误差，可定标，死程误差、阿贝误差、余弦误差等都可以通过调整和计算机来解决。

长度测量实际是大气折射率与长度乘积测量。影响最大的误差是环境引起的大气折射率误差，举例：0.01℃温度变化，十万分之三气压变化，1％湿度变化，只要其中一项，都会引起几个纳米误差。

该项目可应用于半导体芯片制造领域，其对环境要求如表1所示：

项目要求

大气流速0.4-1.0 m/s

温度范围20-26 ℃

温度梯度(max) 0.5 ℃/h

海拔0-2000 m

大气压力变化(max) ±25 mbar

压力梯度(max) 10 mbar/h

大气湿度35-60%

洁净度100级、局部1级

3.技术简介及技术成熟度

1）技术简介

上海光机所从事上海市二期光科技重点项目，经过二年刻苦努力，在关键技术上取得重要进展，具有自主知识产权，取得了6项专利（4项发明，2项实用新型），其中2项发明专利通过查新。其中最核心技术是相继采用了光学二细分、四细分和八细分，使分辨率达到了λ/512＝1.24nm的水平。在完成关键技术攻关和原理性实验的工作上，对系统进行了集成设计、加工和装校，并通过大量的稳定性实验，不断总结改进，最终研制出有希望用于光刻机定位的双频激光干涉样机，如错误！未找到引用源。所示。

2）技术成熟度

实验室样机。

4.预期成果形式及拟计划的合作方式

1）预期成果形式

经过1年时间产品化，研制成功双频激光干涉仪产品样机，其分辨率达到1.24nm，在光刻机运行环境下，测量精度达到10nm量级，测量速度高于100mm/s，

测量范围大于500mm。

2）拟计划的合作方式

本项目倾向于以“合作开发”的方式进行。

激光干涉仪

双频激光干涉仪是检定数控机床、坐标测量机位置的理想手段，配有各种附件，可测量小角度、平面度、直线度、平行度等形位误差。

双频激光干涉仪

产品说明：

美国自动精密工程公司（API）推出的新型三维激光干涉仪为用户提供创新的技术解决方案。只需一次安装便可同时测量机床轴系的线性定位精度。直线度（XX，YY方向），配合垂直度测量系统，可以同时获得坐标轴之间的垂直度。测量数据一旦产生，用户就可以充分利用测量结果对数控机床进行螺距补偿。新型三维激光干涉仪采用创新技术和设计：功能强大的集成母板控制技术，抗干扰的无线通信技术，模块化的数字气象站和最优化结构计。新型三维激光干涉仪可以匹配升级到六维测量系统，可同时测量偏摆角、俯仰角和滚动角。该系统体积小巧，用户在安装和程序操作时十分方便。优点•方便携带•安装简便•高效测量•高效补偿新型三维激光干涉仪具备目前任何同类仪器所无法比拟的便携性，高效测量和高效补偿的特点，同时不会有精度和分辩率的损失。