清華大學(xué)在超精密光柵干涉測(cè)量領(lǐng)域取得新進(jìn)展

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。

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（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。