留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于光栅干涉仪的纳米位移台校准方法研究

刘丽琴 管钰晴 邹文哲 郭创为 张玉杰 徐瑞书 傅云霞 雷李华

刘丽琴,管钰晴,邹文哲,等. 基于光栅干涉仪的纳米位移台校准方法研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(6): 37-43 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0114
引用本文: 刘丽琴,管钰晴,邹文哲,等. 基于光栅干涉仪的纳米位移台校准方法研究[J]. 计量科学与技术,2023, 67(6): 37-43 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0114
LIU Liqin, GUAN Yuqing, ZOU Wenzhe, GUO Chuangwei, ZHANG Yujie, XU Ruishu, FU Yunxia, LEI Lihua. Study on the Calibration Method of Nano-Positioning Stages Using Grating Interferometers[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(6): 37-43. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0114
Citation: LIU Liqin, GUAN Yuqing, ZOU Wenzhe, GUO Chuangwei, ZHANG Yujie, XU Ruishu, FU Yunxia, LEI Lihua. Study on the Calibration Method of Nano-Positioning Stages Using Grating Interferometers[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(6): 37-43. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0114

基于光栅干涉仪的纳米位移台校准方法研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0114
基金项目: 上海市2021年度“科技创新行动计划”自然科学基金项目(21ZR1483100);国家重点研发计划青年科学家项目(2021YFF0603300);上海市2021年度“科技创新行动计划”优秀学术/技术带头人项目(21XD1425000)。
详细信息
    作者简介:

    刘丽琴(1983-),上海市计量测试技术研究院助理工程师,研究方向:微纳米计量技术研究,邮箱:liuliqin@simt.com.cn

    通讯作者:

    雷李华(1985-),上海市计量测试技术研究院高级工程师,研究方向:微纳米计量技术研究,邮箱:leilh@simt.com.cn

  • 中图分类号: TB921

Study on the Calibration Method of Nano-Positioning Stages Using Grating Interferometers

  • 摘要: 随着集成电路制造关键尺寸向着5 nm的节点迈进,我国集成电路检测设备产业化的呼声剧增,纳米位移台作为集成电路制造、超精密加工、精密科学仪器制造等领域检测设备的关键器件,研究人员对其重复定位精度、线性度的要求越来越高。光栅干涉仪以光栅作为标准物质溯源到长度基准,因其对环境因素的变化不敏感、抗干扰能力强、稳定性高的优点,成为微纳检测设备产业化的新方向。采用基于标准物质的光栅干涉仪,针对纳米位移台的重复定位精度、线性度分别设计了不同的校准方案,并通过实验验证方案的可行性,最后对该校准方法的测量不确定度和溯源性进行了分析,可以看出设计的校准方案测量稳定、溯源链短。
  • 图  1  光栅干涉仪原理图

    Figure  1.  Schematic of the grating interferometer

    图  2  基于光栅干涉仪的纳米位移台重复性校准方案

    Figure  2.  Calibration scheme for positioning repeatability of the nano-positioning stage using a grating interferometer

    图  3  基于光栅干涉仪的纳米位移台线性度校准方案

    Figure  3.  Calibration scheme for linearity of the nano-positioning stage using a grating interferometer

    图  4  重复定位精度校准实验平台

    Figure  4.  Experiment setup of positioning repeatability calibration system

    图  5  测量信号图

    Figure  5.  Measurement signal diagram

    图  6  校准实验图

    Figure  6.  Calibration experiment diagram

    图  7  基于光栅干涉仪的纳米位移台校准方法溯源性分析

    Figure  7.  Traceability analysis of the calibration method for the nano-positioning stage based on the grating interferometer

    表  1  基于标准物质的光栅干涉仪10次重复性测量结果

    Table  1.   Ten repetitive measurements using the grating interferometer based on a reference material /μm

    序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    位移值 100.9343 100.9504 100.8810 100.8702 100.8260 100.8178 100.7467 100.7206 100.7382 100.6854
    均值 100.8171
    最大偏差 0.1333
    下载: 导出CSV

    表  2  纳米位移台线性度测量实验结果

    Table  2.   Linearity calibration results for the nano-positioning stage

    采样点
    线性偏差
    (μm)
    序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    实验1 −0.2457 −0.1305 0.01304 0.1010 0.1451 0.1250 0.0247 0.7074 −0.1947 −0.5476
    实验2 −0.2408 −0.1233 0.0211 0.0892 0.1356 0.1157 0.0646 0.6641 −0.1342 −0.6007
    实验3 −0.2664 −0.1407 −0.0069 0.0691 0.1162 0.1125 0.0386 0.6173 −0.1727 −0.6156
    实验4 −0.2481 −0.12055 0.01609 0.0929 0.1473 0.1380 0.0444 0.6985 −0.1676 −0.5741
    实验5 −0.2465 −0.1216 0.0148 0.0976 0.1355 0.1196 0.0151 0.6760 −0.1150 −0.5765
    最大线性偏差均值(μm) 0.673
    线性度 0.67%
    下载: 导出CSV
  • [1] 李东明, 柴长忠, 沈文强, 等. 压电驱动微动平台结构的设计优化和仿真分析[J]. 压电与声光, 2019, 41(3): 396-399.
    [2] Lee H J , Woo S , Park J , et al. Compact compliant parallel XY nano-positioning stage with high dynamic performance, small crosstalk, and small yaw motion[J]. Microsystem Technologies, 2018, 24: 2653-2662.
    [3] 郑志月, 施玉书, 高思田, 等. 高精度电容式位移传感器校准方法的研究[J]. 计量学报, 2015, 36(, 1): 14-18. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2015.01.04
    [4] 王芳, 施玉书, 张树, 等. 基于硅晶格常数的纳米线宽计量技术[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(4): 13-18, 47.
    [5] Yang C , Li C , Xia F , et al. Charge Controller With Decoupled and Self-Compensating Configurations for Linear Operation of Piezoelectric Actuators in a Wide Bandwidth[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(7): 5392-5402.
    [6] Zhu W L , Zhu Z , Shi Y , et al. Design, modeling, nanalysis and testing of a novel piezo-actuated XY compliant mechanism for large workspace nano-positioning[J]. Smart Materials and Structures, 2016, 25(11): 115033.
    [7] Kang B W, Kim J. Design, Fabrication, and Evaluation of Stepper Motors Based on the Piezoelectric Torsional Actuator [J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2013, 18(6): 1850-1854. doi: 10.1109/TMECH.2013.2269171
    [8] JM Paros, Weisboro L . How to Design Flexure Hinges[J]. Machine Design, 1965, 37(27): 151-157.
    [9] Midha A , Norton T W , Howell L L . On the Nomenclature, Classification, and Abstractions of Compliant Mechanisms[J]. Journal of mechanical design, 1994, 116(1): 270-279.
    [10] 范伟, 余晓芬. 压电陶瓷驱动器蠕变特性的研究[J]. 仪器仪表学报, 2006, 27(11): 1383-1386. doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2006.11.005
    [11] 陈爽, 彭希锋. 基于激光干涉的位移传感器自动化校准装置[J], 仪表技术与传感器, 2021 (4): 28-33.
    [12] 池峰, 朱煜, 张志平, 等. 双频激光干涉测量中的环境补偿技术[J]. 中国激光, 2014, 41(4): 190-196.
    [13] Hu P C, Chang D, Tan J B, et al. Displacement measuring grating interferometer: a review [J]. Front Inform Tech El, 2019, 20(5): 631-654. doi: 10.1631/FITEE.1800708
    [14] Korpelainen V, Lassil A. Calibration of a commercial AFM: traceability for a coordinate system [J]. Meas Sci Technol, 2007, 18(2): 395-403. doi: 10.1088/0957-0233/18/2/S11
    [15] 王建波, 殷聪, 石春英, 等. 高功率碘稳频He-Ne激光波长参考源 [J]. 红外与激光工程, 2021, 50(4): 7.
    [16] 高思田. 计量型原子力显微镜的研究 [D]. 天津: 天津大学, 2007.
    [17] Dai G L, Koenders L, Pohlenz F, et al. Accurate and traceable calibration of one-dimensional gratings [J]. Meas Sci Technol, 2005, 16(6): 1241-1249. doi: 10.1088/0957-0233/16/6/001
    [18] Dai G L, Pohlenz F, Dziomba T, et al. Accurate and traceable calibration of two-dimensional gratings [J]. Meas Sci Technol, 2007, 18(2): 415-421. doi: 10.1088/0957-0233/18/2/S13
    [19] 王国超, 颜树华, 高雷, 等. 光栅干涉位移测量技术发展综述[J]. 激光技术, 2010, 34(5): 661-664. doi: 10.3969/j.issn.1001-3806.2010.05.023
    [20] 余茜茜, 施玉书, 张树, 等. 微纳米台阶高度评定方法的比较与分析[J]. 计量科学与技术, 2020(8): 29-33. doi: 10.3969/j.issn.1000-0771.2020.08.06
    [21] 李琪, 施玉书, 李伟, 等. 微纳米光学测量的严格耦合波分析方法[J]. 计量科学与技术, 2020(12): 3-6, 11. doi: 10.3969/j.issn.2096-9015.2020.12.01
    [22] Michael M, Petr B, Petr K, et al. The CCL-K11 ongoing key comparison: final report for the year 2010 [J]. Metrologia, 2011, 48(1A): 04001. doi: 10.1088/0026-1394/48/1A/04001
    [23] Didier A, Ignatovich S, Benkler E, et al. 946-nm Nd: YAG digital-locked laser at 1.1×10−16 in 1 s and transfer-locked to a cryogenic silicon cavity [J]. Optics Letters, 2019, 44(7): 1781-1784. doi: 10.1364/OL.44.001781
    [24] Morzynski P, Wcislo P, Ablewski P, et al. Absolute frequency measurement of rubidium 5S-7S two-photon transitions [J]. Optics Letters, 2013, 38(22): 4581-4584. doi: 10.1364/OL.38.004581
    [25] F Cheng, N Jin, F Zhang, et al. A 532 nm molecular iodine optical frequency standard based on modulation transfer spectroscopy[J]. Chinese Physic: B, 2021, 30: 50603-050603. doi: 10.1088/1674-1056/abd754
    [26] 周奇, 刘炳锋, 连笑怡, 等. 大范围二维纳米位移台的控制及非线性校准的实验研究[J]. 计量学报, 2018, 39(6): 771-776. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2018.06.04
    [27] 邓晓, 程鑫彬, 林子超, 等. 一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统: CN113566714B[P]. 2021-10-29.
    [28] 林子超, 姚玉林, 周通, 等. 基于四维协变量的光栅干涉系统频移理论研究[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(11): 3-11, 26. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0248
    [29] 邓晓, 李同保, 程鑫彬. 自溯源光栅标准物质及其应用[J]. 光学精密工程, 2022, 30(21): 2608-2625.
    [30] Deng X , Ma Y , Zhang P , et al. Investigation of shadow effect in laser-focused atomic deposition[J]. APPLIED SURFACE SCIENCE, 2012, 261: 464-469.
    [31] X. Deng, J. Liu, L. Zhu, et al. Natural square ruler at nanoscale[J]. Applied physics express, 2018, 11: 075201. doi: 10.7567/APEX.11.075201
  • 加载中
图(7) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  250
  • HTML全文浏览量:  113
  • PDF下载量:  37
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-04-21
  • 录用日期:  2023-08-01
  • 修回日期:  2023-07-27
  • 网络出版日期:  2023-08-23
  • 刊出日期:  2023-06-18

目录

    /

    返回文章
    返回