Attocube激光干涉多轴测量原理 基于IDS3010
利用激光干涉仪实现晶圆工件台的闭环控制
半导体行业一直在追求更小的节点技术和更高的生产率。在当今的 EUV光刻和电子束刻写技术中，实现晶圆、刻线、调整平台、光学器件、反射镜等的纳米精度高可靠性定位，正在变得越来越重要。只有利用高精度传感器直接进行闭环运动控制，才能在长行程和高速应用中实现纳米级精度控制。这类传感器必须满足生产和质检过程的高标准和高要求。所面临的挑战包括：超高真空（UHV）和洁净度要求、暴露在高温下，以及越来越大的晶圆尺寸所带来的，需要在更大范围内实现极端的高精度。
作为纳米精度应用的专家，attocube公司根据法布里珀罗干涉原理，开发了IDS3010 （IDS3005）激光干涉仪位移传感系统，并获得了专利[1]（主专利号US2017/00453353A1/ PCT/EP2015/000872）。该系统可实现皮米分辨率的位移检测及运动控制，测量精度达到纳米级，实时数据输出速率高达25 MHz。系统基于光纤化设计，提供三个测量通道，单套系统即可实现多轴位移台的测量，也可以测量角度方向的运动。测量探头采用微型化设计，而且可以兼容UHV环境，可以用于各种环境下的测量和集成。在半导体行业，其中一个典型应用就是晶圆工件台的多自由度位置控制。
图1a) 展示了一个 “传统 “的XY平台控制应用，其中移动平台配有两个长条反射镜，激光干涉仪的探头则固定在机器框架上。图 1b）则采用了相反的配置方法，干涉仪探头安装在移动平台上，而长条反射镜固定在机器框架上。第二种配置之所以可实现，是因为IDS采用了光纤化设计，而且探头外型尺寸和重量足够小（探头最大直径14mm，重量仅7克）。
除了图1展现的这两种配置方案，IDS3010激光干涉仪还能够在各种环境和工作距离下工作（最远5m），为其他运动控制应用提供了几乎无限的可能性。本文针对典型的半导体3DOF配置方案，在实验室做了复刻，以验证IDS3010的性能和功效。
方案搭建
测量装置与图 1a）中的示例类似，含有一套电磁驱动xy运动平台，x轴移动范围为1米。运动台上安装两个高质量平面反射镜，作为干涉仪测量表面。为了控制平台运动，IDS3010连接了三个固定安装的准直型探头(型号M12/C1.6/wf)。
IDS3010可输出实时位置反馈信号，实时数据接口有多种选择（SinCos、AquadB、 HSSL、线性模拟输出和BissC）。这些接口可以输出实时信号给闭环位置控制系统作为传感器信号。在我们的实验装置中，我们选用SinCos信号，带宽设置为5MHz，分辨率1nm。
因为测试是在室内环境中进行，我们使用了环境补偿单元(ECU)来确保测试精度[2]。需要说明的是，半导体行业的很多先进应用都是真空环境，不需要使用ECU。这类应用中IDS3010会带来更高的测量精度。
两个探头（SH1 和 SH2）测量 yz 反射镜表面的位移。SH1 的 SinCos 信号用于 x 轴的闭环控制。SH1 和 SH2 在水平方向上相距40mm，可用于计算偏航转角（偏航转角可用于4- DOF系统的实时补偿）。在我们的 3-DOF 设置中，由于没有旋转机构，我们不对偏航旋转进行补偿。第三个探头（SH3）控制Y轴。所有三个探头通过软光纤与IDS3010的三个通道连接，无需额外的光学器件。
在平面镜上测量时，M12/C1.6/wf 探头的接受角为± 30 m°@1m工作距离。对于精密xy运动台的调试而言，这个角度范围是非常合适的，也足以保证余弦误差足够小。相比其他干 涉仪制造商的产品，这是一个额外的优点。此外，得益于特殊的测量原理，我们可以使用大量不同类型的探头，甚至可以在5m范围内对平板玻璃表面进行测量，这对于很多干涉仪而言是不可能的。
图 1：xy平台控制的两套配置实例 (a) 晶圆安装在移动平台上，平台安装有长条反射镜。三个干涉仪探头固定在框架上。平台的 xy 运动由 IDS3010 控制；(b) 相反的配置实例，微型干涉仪探头安装在晶圆工件台上，而长条反射镜固定在框架上。
图 2: (a) xy平台的位移数据，x轴行程1m，y轴移动30mm外加一个偏置距离；(b) 将(a)运动过程中产生的偏航旋转（绕z轴）作为纵坐标，测得旋转范围在30 m°左右；(c) 将(b)曲线的局部放大，观察微度级别的平台旋转情况
测试结果
图2a) 记录了这套装置的xy运动情况。首先，平台做了一次30 x 30mm的正方形轨迹运动，紧接着X轴移动1m。在此需要说明的是，SH3需要有一定的工作距离（这里大约300mm），这样才能让SH1和SH2达到1m工作距离。IDS3010的文档里有关于这种主从轴关系的详细描述。图2b) 显示了xy平台运动过程中的偏航旋转（绕z轴旋转）。从图中可以 看出，在x轴1m的移动范围内，最大偏航旋转为30m°左右。图 2c) 将偏航旋转曲线放大到µ°范围进行研究，在这个尺度上看到的曲线，主要是由平台的磁子间距沿X轴变化导致的。如果系统带有额外的精密旋转轴，那么结合上述的偏航角测量，可以对这个偏航旋转进行精密补偿。
结论
上述测试表明，IDS3010是闭环xy平台应用的理想测量工具。位移和角度测量可以同时实现，并且带宽高达25 MHz。微型化的传感器头允许灵活集成，并确保在苛刻的定位任务中将实用性和高精度完美结合。此外，轻巧的探头设计（7克）提供了新的系统组建方式，可显著降低移动质量。通过以太网连接和多种标准编程语言（如 C++、C#、DLL、Python 和 LabVIEW），可以轻松地将IDS3010集成到不同控制系统中。
IDS3010 multi-axis laser interferometer
皮米激光测距干涉仪
该设备凭借超高测量精度脱颖而出，实现了 10 ppb 的真空波长精度与波长稳定性。其核心采用了 DFB激光器 结合 高精度参考气室 的独特技术方案，不仅保证了测量的准确性，更赋予了设备长达 10年 的使用寿命和极低的维护需求。
在设计上，它采用紧凑且模块化的架构，支持灵活的三轴测量，传感器探头直径更是小至 Ø 1.2 mm，能够轻松应对各种受限空间。此外，该设备具备极强的环境适应性，可在真空、超低温及强磁场等极端条件下稳定工作。
凭借其卓越性能，该产品被广泛应用于半导体测量与控制、精密光学测量、航空航天以及同步辐射大科学装置等前沿科技领域。