施玉書, 張 樹, 連笑怡, 李 偉, 李 琪, 黃 鷺, 高思田

(中國計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

納米技術(shù)是基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)發(fā)展中具有前瞻性、帶動(dòng)性的重點(diǎn)領(lǐng)域,已經(jīng)成為國際科技競爭的戰(zhàn)略制高點(diǎn)[1]。納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和觀測分析技術(shù)是納米技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)[2],對(duì)于半導(dǎo)體、光學(xué)等先進(jìn)器件而言,如果沒有相應(yīng)的計(jì)量檢測分析技術(shù),就無法進(jìn)行高效的研發(fā)和生產(chǎn)。納米幾何結(jié)構(gòu)計(jì)量是指針對(duì)MEMS器件和半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)中的各類納米結(jié)構(gòu)體的各種幾何尺寸進(jìn)行計(jì)量[3～5],包括間隔、寬度、高度和膜厚等幾何尺寸,并將結(jié)果溯源至米定義SI單位。目前,納米幾何結(jié)構(gòu)計(jì)量面臨的最大挑戰(zhàn)是被測物尺寸從幾毫米到上百毫米,測量范圍從幾十微米到幾十毫米,即納米幾何結(jié)構(gòu)計(jì)量正從小范圍向大范圍邁進(jìn)[1]。

納米幾何結(jié)構(gòu)計(jì)量必須實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果向米定義SI單位的直接溯源。目前SI單位米定義的復(fù)現(xiàn)是基于高復(fù)現(xiàn)性的碘穩(wěn)頻激光的波長實(shí)現(xiàn),并通過碘穩(wěn)頻激光與其它激光的拍頻比對(duì)實(shí)現(xiàn)米定義的量值溯源。激光干涉儀是長度計(jì)量中最為廣泛使用的測量儀器,其位移測量結(jié)果可以直接溯源到米定義波長基準(zhǔn);然而,目前國內(nèi)市場上商品型激光干涉儀基本被國外公司壟斷,不僅價(jià)格昂貴,而且部分高分辨率的激光干涉儀的進(jìn)口受到各種限制[6]。

2 毫米級(jí)納米幾何特征尺寸計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置

毫米級(jí)納米幾何特征尺寸計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要由位移系統(tǒng)、測頭系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)和環(huán)境測量控制系統(tǒng)5大部分組成?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig.1 Structure design scheme of the device

裝置的主體結(jié)構(gòu)采用大理石材質(zhì)的龍門結(jié)構(gòu),具有熱膨脹系數(shù)小、承載能力大以及抗環(huán)境擾動(dòng)的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于計(jì)量儀器的研發(fā)[7];位移系統(tǒng)是用于實(shí)現(xiàn)裝置不同測量范圍、不同測量準(zhǔn)確度的測量掃描,由三維毫米級(jí)位移系統(tǒng)與兩級(jí)納米位移系統(tǒng)構(gòu)成,可以實(shí)現(xiàn)定位以及多尺寸測量掃描的功能[8,9];計(jì)量系統(tǒng)由多自由度激光干涉儀與計(jì)量框架構(gòu)成,三維測長激光干涉儀可以實(shí)現(xiàn)納米幾何結(jié)構(gòu)的空間準(zhǔn)確計(jì)量,多自由度的測角干涉儀可以監(jiān)測裝置在掃描測量過程中的偏擺與擾動(dòng),從而對(duì)誤差實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償修正,最終確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確可溯源[10];測頭系統(tǒng)基于原子力測量原理,具有亞納米量級(jí)的測量分辨力,可以在不損傷樣品的情況下實(shí)現(xiàn)被測物三維表面結(jié)構(gòu)的納米級(jí)精細(xì)表征[11～13];測量控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測量裝置的控制、數(shù)據(jù)采集處理以及人機(jī)交互,由計(jì)算機(jī)和DSP組成;環(huán)境補(bǔ)償單元包括PTF測量和溫度控制兩部分,保證測量環(huán)境的穩(wěn)定,修正激光波長誤差,減小環(huán)境擾動(dòng)對(duì)測量結(jié)果的影響。

研制的毫米級(jí)納米幾何特征尺寸計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置中,需要在毫米級(jí)測量范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測量準(zhǔn)確度與亞納米級(jí)分辨力,這種巨大的倍比關(guān)系對(duì)于激光干涉計(jì)量系統(tǒng)的研制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3 多自由度激光干涉計(jì)量系統(tǒng)整體布局

根據(jù)裝置總體方案,測頭與被測樣品均可實(shí)現(xiàn)三維移動(dòng),因此測頭與被測樣品均由計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行測量。在線性位移的測量上,采用差動(dòng)式激光干涉儀,在XY方向上共需要2個(gè)干涉儀測量測頭與樣品的相對(duì)運(yùn)動(dòng);Z方向上干涉儀的測量光通過樣品的被測點(diǎn),符合阿貝原則,但由于樣品的阻擋無法構(gòu)成差動(dòng)式激光干涉儀,故需要2個(gè)激光干涉儀分別測量測頭與樣品的Z向位移。4個(gè)測長激光干涉儀的分布如圖2所示。

圖2 測長激光干涉儀分布圖Fig.2 Distribution of length measuring laser interferometer

從原理上講,測頭與樣品臺(tái)2個(gè)物體共需要6個(gè)角度傳感器完成所有旋轉(zhuǎn)自由度的測量。在本項(xiàng)目中,一共設(shè)計(jì)了8個(gè)測角干涉儀用于測頭與樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)角測量。這種冗余的設(shè)計(jì)為裝置的應(yīng)用提供了更大的靈活性,參見圖3。例如當(dāng)樣品沿X方向移動(dòng)時(shí),可以選用X軸上的Ry和Rz測角干涉儀而不使用Y軸上的Rz測角干涉儀,能進(jìn)一步降低因反射鏡平面度引起的角度測量誤差。

圖3 測角激光干涉儀分布圖Fig.3 Distribution of angle measuring laser interferometer

所有干涉儀安裝在一個(gè)獨(dú)立的計(jì)量框架上。計(jì)量框架與位移系統(tǒng)以及測頭系統(tǒng)相互獨(dú)立,避免了運(yùn)動(dòng)部分對(duì)測量系統(tǒng)的影響,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖4所示為搭建好的多自由度激光干涉計(jì)量系統(tǒng)的光學(xué)部分。

圖4 多自由度激光干涉計(jì)量系統(tǒng)Fig.4 Multi-DOF laser interferometric system

4 光學(xué)8倍程偏振激光測長干涉系統(tǒng)

4.1 干涉光路設(shè)計(jì)

常用的激光波長是633 nm,為了要獲得納米級(jí)的測量分辨力,需要對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行相位細(xì)分,使其輸出讀數(shù)分辨力為λ/2的n分之一,n為細(xì)分倍數(shù)。相位細(xì)分法主要是用于計(jì)算干涉條紋中不足1個(gè)周期的條紋所對(duì)應(yīng)的位移量,其算法是基于干涉條紋光強(qiáng)的正弦形明暗變化,然而在實(shí)際中無法得到嚴(yán)格的正弦變化,這種擬合的算法必然會(huì)對(duì)干涉儀的測量結(jié)果引入非線性誤差。

提高激光干涉儀分辨力的另一種方法是光學(xué)倍程法。光學(xué)倍程法的基本原理是通過特殊光學(xué)設(shè)計(jì),使測量光束在測量反射鏡和直角反射鏡之間多次反射,然后再回到分光棱鏡與參考光會(huì)合;光束往返N次,光學(xué)分辨力將提高2N倍。世界上高分辨力激光干涉儀產(chǎn)品都同時(shí)應(yīng)用了光學(xué)倍程與相位細(xì)分技術(shù)。

圖5是本文設(shè)計(jì)研制的光學(xué)8倍程偏振激光干涉儀的光路整體布局圖。

圖5 光學(xué)8倍程偏振激光測長干涉儀Fig.5 Optical 8-fold polarized length measuring laser interferometer

激光光源采用穩(wěn)頻氦氖激光器,通過保偏光纖直接導(dǎo)入干涉系統(tǒng)。激光從保偏光纖射出后經(jīng)過光纖連接器FC以及準(zhǔn)直鏡CL后成為具有很好的方向性和平行性以及光斑小等特點(diǎn)的線偏振光;此偏振光經(jīng)過1/4波片QWP變?yōu)閳A偏振光入射到光學(xué)倍程干涉系統(tǒng),入射的圓偏振光被偏振分光棱鏡PBS分為2束偏振方向互相垂直的線偏振光(P光和S光),其中反射光通過1/4波片入射到參考鏡RM,而透射光則通過1/4波片入射到移動(dòng)鏡MM;這2束光被鏡面垂直反射后再次通過1/4波片,使得其偏振方向改變了90°:P光變?yōu)榱薙光,而S光變?yōu)榱薖光,即原來的透射光變?yōu)榱朔瓷涔?而原來的反射光變成了投射光;2束光在偏振分光棱鏡匯合,再經(jīng)過直角棱鏡的2次反射后又使2束光分別射到參考鏡和移動(dòng)鏡,在參考鏡和移動(dòng)鏡表面發(fā)生垂直反射,由于這一過程中2束光分別2次通過1/4波片,使得其“透”、“反”特性再次發(fā)生變化;同樣2束光第2次匯合于偏振分光棱鏡,再次被直角棱鏡的2次反射后,分別射到參考鏡和移動(dòng)鏡表面發(fā)生垂直反射,同樣2次通過1/4波片,使得其“透”、“反”特性發(fā)生第3次變化;同理根據(jù)光路的幾何特性,2束光的透射和反射特性的交替改變4次,使得它們分別在干涉系統(tǒng)與立方反射鏡之間往返4次后才從偏振分光鏡出射,入射到接收光路部分產(chǎn)生相移,分別由4個(gè)光電二極管接收,每個(gè)條紋周期對(duì)應(yīng)的光學(xué)分辨力可由λ/2提高到λ/8,直接提高了4倍。

4.2 諧波分離修正法

干涉系統(tǒng)的兩路輸出信號(hào)在理想情況下是等幅、正交的簡諧信號(hào)(正弦或者余弦信號(hào)),其分別在X,Y方向上的合成運(yùn)動(dòng)軌跡曲線為標(biāo)準(zhǔn)圓形軌跡;但由于光學(xué)原件并非理想元件,使得干涉系統(tǒng)的實(shí)際輸出信號(hào)的直流電平、幅度,以及兩路信號(hào)的正交性都會(huì)隨機(jī)改變,從而造成了干涉儀的測量誤差。通常情況下,干涉儀的非線性誤差可達(dá)5～10 nm。因此必須對(duì)干涉儀非線性誤差進(jìn)行修正。

Heydemann方法[14]是將2路干涉信號(hào)用1個(gè)廣義橢圓方程表示,因此也叫橢圓修正。該方法僅考慮了對(duì)干涉信號(hào)基波的修正,但在實(shí)際干涉信號(hào)中,由于光學(xué)元件的不理想導(dǎo)致產(chǎn)生諧波成分,尤其在光學(xué)倍程干涉儀中,諧波成分帶來的誤差影響不容忽視。因此,完善的非線性誤差修正應(yīng)該對(duì)信號(hào)的各個(gè)諧波成分進(jìn)行。

本文提出的“諧波分離修正算法”,利用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)校準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行最小二乘擬合得到修正模型,消除干涉信號(hào)中引起非線性誤差的各種諧波成分,使單頻激光干涉儀的非線性誤差修正達(dá)到最優(yōu)化。諧波分離修正法的修正方程可用有限項(xiàng)傅里葉級(jí)數(shù)表示:

(1)

式中:a10,a20為直流分量;M為光學(xué)倍程數(shù);a1(m+1),b1(m+1),a2(m+1),b2(m+1)分別為各諧波分量的系數(shù);第3項(xiàng)為高于基波的諧波分量,c1n,d1n,c2n,d2n分別為各諧波分量的系數(shù);N為高次諧波截取長度。

4.3 干涉儀信號(hào)處理電路

信號(hào)處理電路是激光干涉儀不可或缺的重要組成部分。干涉信號(hào)是光強(qiáng)的正弦信號(hào),信號(hào)處理電路完成干涉信號(hào)采樣、濾波、相位細(xì)分、修正等工作。本項(xiàng)目采用大規(guī)模CPLD器件用于干涉信號(hào)處理,系統(tǒng)架構(gòu)更加合理,降低了DSP運(yùn)行負(fù)擔(dān),提高運(yùn)行速度,并簡化系統(tǒng),提高可靠性和穩(wěn)定性。

圖6是干涉儀信號(hào)處理電路的框圖。激光干涉儀調(diào)理電路輸出相位差90°的2路光強(qiáng)信號(hào)sinθ,cosθ。CPLD控制A/D轉(zhuǎn)換器同步采集sinθ與cosθ,并加以濾波,去除數(shù)字化采樣中的粗大誤差。CPLD完成sinθ對(duì)cosθ的除法,求得正切值,消除光強(qiáng)變化的影響;反正切值(相位值)已提前寫入處理電路的存儲(chǔ)器中,CPLD只需根據(jù)正切值進(jìn)行尋址即可得到對(duì)應(yīng)的相位值。通過DSP的16位外部訪問擴(kuò)展總線,DSP可實(shí)時(shí)訪問CPLD,讀取當(dāng)前干涉儀的相位值。若要進(jìn)行相位修正,如前所述的“諧波分離修正法”,可隨時(shí)通過DSP和CPLD將修正結(jié)果寫入存儲(chǔ)器,后續(xù)CPLD再尋址得到的相位值就是修正后的結(jié)果了。

圖6 干涉儀信號(hào)處理電路框圖Fig.6 Interference signal processing block diagram

4.4 測長干涉儀性能測試

同時(shí)使用本文研制的測長激光干涉儀與電容傳感器,測量了1個(gè)線性納米位移臺(tái)的9 nm步進(jìn)的連續(xù)位移,得到如圖7所示的測量結(jié)果。圖7中以激光干涉儀和電容傳感器測量的位移值為縱坐標(biāo),以時(shí)間軸為橫坐標(biāo)。

圖7 激光干涉儀臺(tái)階形位移曲線Fig.7 Step displacement curve of laser interferometer

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及前述干涉儀的設(shè)計(jì)研制可知,該激光測長干涉儀具有以下特點(diǎn):

(1)條紋周期達(dá)到了λ/8,使非線性誤差得到修正;

(2)光源由保偏光纖直接導(dǎo)入,既保持了入射光的線偏振特性,又解決了激光器發(fā)熱和散熱的問題;

(3)測量光和參考光共光路設(shè)計(jì),無效光程小,干涉信號(hào)穩(wěn)定,條紋對(duì)比度好;

(4)測長激光干涉儀的高分辨力和靈敏度以及較低的噪音水平。

5 測角激光干涉儀

在測量過程中需對(duì)測頭與樣品臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量。使用干涉法進(jìn)行角度測量,基本原理就是把被測物的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成干涉儀測量光與參考光的光程差。通常做法是將干涉儀測量光與參考光分別照射在待測轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)軸兩側(cè),被測物的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致2個(gè)光束的光程差。裝置的測角干涉儀采用共光路形式的Nomarski干涉儀來探測反射鏡角度的變化,干涉條紋周期為λ/2,相位細(xì)分與修正電路采用與測長干涉儀相同的電路。

測角干涉儀的關(guān)鍵技術(shù)在于提出了一種基于Koester棱鏡的對(duì)稱光路設(shè)計(jì),見圖8所示,該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊,使得4路測角干涉儀能夠集成在1個(gè)基板上。

圖8 基于Koester棱鏡的激光偏振測角干涉儀Fig.8 Laser polarization angle measuring interferometer based on Koester prism

測角干涉儀的原理與測長干涉儀相同,測量信號(hào)反映的是測量光與參考光之間的光程差。干涉儀的測量光與參考光投射在同一個(gè)反射鏡表面,所得測量信號(hào)除以2束激光的間距,即為反射鏡的轉(zhuǎn)角。

6 結(jié) 論

本文對(duì)研制的毫米級(jí)納米幾何特征尺寸計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置多自由度激光干涉計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,實(shí)現(xiàn)在毫米級(jí)的測量范圍內(nèi),具有納米級(jí)的測量精度并將測量結(jié)果直接溯源至米定義的SI國際單位。研制的8倍程激光測長干涉儀將條紋周期提高到λ/8,提高了測量分辨力,避免了平面反射鏡偏擺的影響,且具有無效光程(死程)小,干涉信號(hào)穩(wěn)定,條紋對(duì)比度好的優(yōu)點(diǎn),大大增強(qiáng)了干涉儀抗干擾能力、減小了測量誤差;測角干涉儀為基于Koester棱鏡研制的共光路形式的Nomarski干涉儀,結(jié)構(gòu)緊湊,可將4個(gè)測角干涉儀集成到一個(gè)基板上,并可以有效減少空氣和溫度漂移引起的擾動(dòng)。