納米位移定位技術是現代精密工程的基礎，以集成電路領域為例，針對大行程晶圓臺的超精密定位技術是光刻機中的關鍵核心技術之一。在套刻誤差分配中，光刻機晶圓臺的納米定位誤差通常占總套刻十分之一，要求定位精度達到亞納米級別，這對納米位移定位校準技術的準確度和可靠性提出了嚴格要求。傳統校準技術受限于單一溯源鏈路，難以兼顧高精度、大行程與高環境適應性，限制了其在超精密定位領域的應用。
針對這一難題，中國計量科學研究院施玉書研究員團隊，聯合國家集成電路微納檢測設備產業計量測試中心（上海）程鑫彬教授團隊，基于一維鉻納米光柵標準物質研制了光柵衍射干涉法微納米位移定位校準裝置，為我國微納米位移定位校準溯源鏈路擴充與能力提升提供了關鍵技術支撐。目前雙方聯合研究成果已發表于《計量科學與技術》。
圖1、微納米位移定位校準裝置雙溯源鏈路
該研究在原激光干涉法單溯源鏈路的基礎上，創新性地引入光柵衍射干涉法，構建了雙溯源鏈路。在以激光溯源至波長基準的溯源鏈路中，采用六自由度激光干涉計量系統測量位移臺X、Y、Z軸的位移和轉角，以短鏈的方式極大減小了測量過程中的誤差累積，通過633 nm激光波長實現測量結果向國際單位制（SI）“米”定義直接溯源。在以光柵柵距溯源至波長基準的溯源鏈路中，以同濟大學國家集成電路微納檢測設備產業計量測試中心程鑫彬教授團隊研制的國家一級標準物質（一維鉻納米光柵）為核心，基于利特羅結構搭建了光柵干涉儀。該光柵以激光波長作為物理學基準，利用原子光刻技術在納米光柵上制造出與半基準波長相對應的柵距，從而實現柵距的精確定義和直接溯源。當光柵在光柵矢量方向上的運動時，衍射光由于多普勒效應頻率發生變化。將±m級次衍射光合束后，基于差頻干涉原理，光柵每移動1/2柵距的位移，信號相位變化2π，即柵距為光柵位移系統的測量基準，可直接溯源至“米”定義。
圖2、(a)(b)六軸激光干涉儀實物圖與示意圖，(c)(d)光柵干涉儀實物圖和示意圖
該研究創新性地融合激光干涉法與光柵衍射干涉法兩大量值溯源體系，突破單一量值溯源鏈局限，其雙溯源鏈路均了對中間變量的依賴，實現了直接溯源，減少了誤差積累，降低了對設備和環境的要求。該研究為相關行業的精密測量提供了標準化、高準確性的參考依據，有助于完善我國在微納米定位平臺校準相關的計量體系，為微納米定位技術的發展提供了重要的技術支撐。研究工作得到了國家重點研發計劃和中國計量科學研究院基本科研業務費重點領域等基金項目資助。
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