施玉書, 張 樹, 連笑怡, 李 偉, 李 琪, 黃 鷺, 高思田

(中國計量科學研究院,北京 100029)

1 引 言

納米技術是基礎研究和高新技術發(fā)展中具有前瞻性、帶動性的重點領域,已經(jīng)成為國際科技競爭的戰(zhàn)略制高點[1]。納米結構的設計制造技術和觀測分析技術是納米技術實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關鍵技術[2],對于半導體、光學等先進器件而言,如果沒有相應的計量檢測分析技術,就無法進行高效的研發(fā)和生產(chǎn)。納米幾何結構計量是指針對MEMS器件和半導體集成電路產(chǎn)業(yè)中的各類納米結構體的各種幾何尺寸進行計量[3～5],包括間隔、寬度、高度和膜厚等幾何尺寸,并將結果溯源至米定義SI單位。目前,納米幾何結構計量面臨的最大挑戰(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,即納米幾何結構計量正從小范圍向大范圍邁進[1]。

納米幾何結構計量必須實現(xiàn)測量結果向米定義SI單位的直接溯源。目前SI單位米定義的復現(xiàn)是基于高復現(xiàn)性的碘穩(wěn)頻激光的波長實現(xiàn),并通過碘穩(wěn)頻激光與其它激光的拍頻比對實現(xiàn)米定義的量值溯源。激光干涉儀是長度計量中最為廣泛使用的測量儀器,其位移測量結果可以直接溯源到米定義波長基準;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,不僅價格昂貴,而且部分高分辨率的激光干涉儀的進口受到各種限制[6]。

2 毫米級納米幾何特征尺寸計量標準裝置

毫米級納米幾何特征尺寸計量標準裝置主要由位移系統(tǒng)、測頭系統(tǒng)、計量系統(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。總體結構設計方案如圖1所示。

圖1 裝置整體結構設計方案Fig.1 Structure design scheme of the device

裝置的主體結構采用大理石材質(zhì)的龍門結構,具有熱膨脹系數(shù)小、承載能力大以及抗環(huán)境擾動的特點,被廣泛應用于計量儀器的研發(fā)[7];位移系統(tǒng)是用于實現(xiàn)裝置不同測量范圍、不同測量準確度的測量掃描,由三維毫米級位移系統(tǒng)與兩級納米位移系統(tǒng)構成,可以實現(xiàn)定位以及多尺寸測量掃描的功能[8,9];計量系統(tǒng)由多自由度激光干涉儀與計量框架構成,三維測長激光干涉儀可以實現(xiàn)納米幾何結構的空間準確計量,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,從而對誤差實施動態(tài)補償修正,最終確保測量結果的準確可溯源[10];測頭系統(tǒng)基于原子力測量原理,具有亞納米量級的測量分辨力,可以在不損傷樣品的情況下實現(xiàn)被測物三維表面結構的納米級精細表征[11～13];測量控制系統(tǒng)實現(xiàn)測量裝置的控制、數(shù)據(jù)采集處理以及人機交互,由計算機和DSP組成;環(huán)境補償單元包括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)境擾動對測量結果的影響。

研制的毫米級納米幾何特征尺寸計量標準裝置中,需要在毫米級測量范圍內(nèi),實現(xiàn)納米級的測量準確度與亞納米級分辨力,這種巨大的倍比關系對于激光干涉計量系統(tǒng)的研制提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

3 多自由度激光干涉計量系統(tǒng)整體布局

根據(jù)裝置總體方案,測頭與被測樣品均可實現(xiàn)三維移動,因此測頭與被測樣品均由計量系統(tǒng)進行測量。在線性位移的測量上,采用差動式激光干涉儀,在XY方向上共需要2個干涉儀測量測頭與樣品的相對運動;Z方向上干涉儀的測量光通過樣品的被測點,符合阿貝原則,但由于樣品的阻擋無法構成差動式激光干涉儀,故需要2個激光干涉儀分別測量測頭與樣品的Z向位移。4個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2個物體共需要6個角度傳感器完成所有旋轉(zhuǎn)自由度的測量。在本項目中,一共設計了8個測角干涉儀用于測頭與樣品臺的轉(zhuǎn)角測量。這種冗余的設計為裝置的應用提供了更大的靈活性,參見圖3。例如當樣品沿X方向移動時,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獨立的計量框架上。計量框架與位移系統(tǒng)以及測頭系統(tǒng)相互獨立,避免了運動部分對測量系統(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量系統(tǒng)的光學部分。

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

4 光學8倍程偏振激光測長干涉系統(tǒng)

4.1 干涉光路設計

常用的激光波長是633 nm,為了要獲得納米級的測量分辨力,需要對干涉信號進行相位細分,使其輸出讀數(shù)分辨力為λ/2的n分之一,n為細分倍數(shù)。相位細分法主要是用于計算干涉條紋中不足1個周期的條紋所對應的位移量,其算法是基于干涉條紋光強的正弦形明暗變化,然而在實際中無法得到嚴格的正弦變化,這種擬合的算法必然會對干涉儀的測量結果引入非線性誤差。

提高激光干涉儀分辨力的另一種方法是光學倍程法。光學倍程法的基本原理是通過特殊光學設計,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合;光束往返N次,光學分辨力將提高2N倍。世界上高分辨力激光干涉儀產(chǎn)品都同時應用了光學倍程與相位細分技術。

圖5是本文設計研制的光學8倍程偏振激光干涉儀的光路整體布局圖。

圖5 光學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鏡,在參考鏡和移動鏡表面發(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個光電二極管接收,每個條紋周期對應的光學分辨力可由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)的兩路輸出信號在理想情況下是等幅、正交的簡諧信號(正弦或者余弦信號),其分別在X,Y方向上的合成運動軌跡曲線為標準圓形軌跡;但由于光學原件并非理想元件,使得干涉系統(tǒng)的實際輸出信號的直流電平、幅度,以及兩路信號的正交性都會隨機改變,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5～10 nm。因此必須對干涉儀非線性誤差進行修正。

Heydemann方法[14]是將2路干涉信號用1個廣義橢圓方程表示,因此也叫橢圓修正。該方法僅考慮了對干涉信號基波的修正,但在實際干涉信號中,由于光學元件的不理想導致產(chǎn)生諧波成分,尤其在光學倍程干涉儀中,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該對信號的各個諧波成分進行。

本文提出的“諧波分離修正算法”,利用傅里葉級數(shù)對校準信號進行最小二乘擬合得到修正模型,消除干涉信號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到最優(yōu)化。諧波分離修正法的修正方程可用有限項傅里葉級數(shù)表示:

(1)

式中:a10,a20為直流分量;M為光學倍程數(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 干涉儀信號處理電路

信號處理電路是激光干涉儀不可或缺的重要組成部分。干涉信號是光強的正弦信號,信號處理電路完成干涉信號采樣、濾波、相位細分、修正等工作。本項目采用大規(guī)模CPLD器件用于干涉信號處理,系統(tǒng)架構更加合理,降低了DSP運行負擔,提高運行速度,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路光強信號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cosθ的除法,求得正切值,消除光強變化的影響;反正切值(相位值)已提前寫入處理電路的存儲器中,CPLD只需根據(jù)正切值進行尋址即可得到對應的相位值。通過DSP的16位外部訪問擴展總線,DSP可實時訪問CPLD,讀取當前干涉儀的相位值。若要進行相位修正,如前所述的“諧波分離修正法”,可隨時通過DSP和CPLD將修正結果寫入存儲器,后續(xù)CPLD再尋址得到的相位值就是修正后的結果了。

圖6 干涉儀信號處理電路框圖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個線性納米位移臺的9 nm步進的連續(xù)位移,得到如圖7所示的測量結果。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,以時間軸為橫坐標。

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

由實驗結果以及前述干涉儀的設計研制可知,該激光測長干涉儀具有以下特點:

(1)條紋周期達到了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計,無效光程小,干涉信號穩(wěn)定,條紋對比度好;

(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

在測量過程中需對測頭與樣品臺在運動過程中的轉(zhuǎn)角進行測量。使用干涉法進行角度測量,基本原理就是把被測物的轉(zhuǎn)動轉(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)動就會導致2個光束的光程差。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。

測角干涉儀的關鍵技術在于提出了一種基于Koester棱鏡的對稱光路設計,見圖8所示,該結構設計緊湊,使得4路測角干涉儀能夠集成在1個基板上。

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反射鏡表面,所得測量信號除以2束激光的間距,即為反射鏡的轉(zhuǎn)角。

6 結 論

本文對研制的毫米級納米幾何特征尺寸計量標準裝置多自由度激光干涉計量系統(tǒng)進行了介紹,實現(xiàn)在毫米級的測量范圍內(nèi),具有納米級的測量精度并將測量結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,干涉信號穩(wěn)定,條紋對比度好的優(yōu)點,大大增強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,結構緊湊,可將4個測角干涉儀集成到一個基板上,并可以有效減少空氣和溫度漂移引起的擾動。