超精密测量技术在高精尖装备中的应用现状调查.doc

超精密测量技术在高精尖装备中的 应用现状调查学校：哈尔滨工业大学调查组成员：安丽军 庄嫣媛 王佳铭指导教师：胡鹏程 摘 要 超精密测量是一门集光学、电子、传感、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，它是信息科学发展的源头，为众多的高精尖装备提供微纳米级的物理量和工程量信息，因此超精密测量技术是高精尖装备发展的关键，代表着一个国家科技实力的先进水平。通过本次调查活动，我们小组成员初步掌握了超精密测量技术的基本内容和技术特点、国际发展趋势，并能够明确指出其在高精尖装备中的具体应用，加深了对超精密测量技术的理解，对本专业的前景和未来的发展方向有了比较明确的认识。关键词：超精密测量技术；仪器科学与工程；高端装备制造 目 录摘要21 问题的提出41.1调查背景41.2调查方式41.3调查意义52 超精密测量技术52.1组成5211 微力接触式测量技术5212 振动扫描式测量技术722 特点83 高精尖装备与超精密测量931 我国高精尖装备发展现状9311 光刻机现状103111 行业现状103112 国际国内现状1132 超精密测量技术在高精尖装备中的应用12321 超精密测量在光刻机中的应用124 小结与建议1441 小结1442 意见与建议14参考文献151 问题的提出11 调查背景 仪器仪表是信息产业的三大重要组成部分(测试技术、通信技术、微电子技术)之一，是信息工业的源头，是一个国家科技实力的综合反映，在工业发展中具有前导地位。仪器仪表集机、电、计算机、信息处理等多学科于一体，是多学科相互交叉、渗透、结合的综合学科。其中以超精密测量技术所代表的测量技术在国防、航天、航空、航海、铁道、机械、轻工、化工、电子、电力、电信、钢铁、石油、矿山、煤炭、地质、勘侧等领域有极其广泛的应用，在国民经济建设中占有重要的地位。在发展高端装备制造业的背景下，提高我国在超精密测量方面的科研实力和技术水平，成为不得不解决的迫切问题。因此我们小组结合本专业的科研方向和哈尔滨工业大学的特色，希望通过本次调查，了解我国在超精密测量技术在高端装备制造业特别是高精尖装备（以光刻机和超精密车床为例）中的应用现状，并且能够加强对本专业的认识。12 调查方式 我们小组结合寒假寒假小组成员分散各地，无法进行统一调查活动的实际，借助网络，通过访问各大仪器公司网站、阅读仪器科学和超精密测量方面的相关文献、发放调查问卷、采访超精密测量专业相关方向的硕士研究生等形式，对该问题进行了较为深入的调查研究。 13 调查意义 本次社会实践调查，充分地锻炼了我们搜集、处理信息的能力，在团队调查过程中，小组成员分工明确，集思广益，极大的增强了我们的团队协作意识和团队精；通过本次调查，我们小组成员对本专业有了更加明确的认识，意识到我们国家在高端装备制造业的不足及精密测量特别是超精密测量对我国国民经济发展和国防现代化的极其重要的作用；同时我们更加感受到了作为新一代哈工大人身上的千钧重担，极大地增强了我们身为哈工大人的自豪感和责任感，坚定了我们投身国家现代化建设、为早日实现中华民族复兴的伟大中国梦奋斗终生的崇高信念！2 超精密测量技术21 组成 超精密测量技术与仪器工程研究中包含的几个热点问题主要有: 二维和三维微小内尺度精密和超精密测量技术、超精密三维轮廓与坐标测量技术、无基准三维轮廓测量技术、超精密回转基准和直线基准技术、大输出力、高稳定性超微驱动技术等。这些技术的研究代表了目前超精密测量技术和仪器工程研究的发展趋势 ,也是超精密测量技术领域的重要组成部分和技术难点。我们小组对其中的微力接触式测量技术和振动扫描式测量技术进行了调查，下面我们将以以上两种关键性技术为例，介绍超精密测量技术的组成及特点。211 微力接触式测量技术 1997 1998年 ,德国联邦物理技术研究院 ( PTB)和天津大学 先后提出了微力接触式测量技术 ,原理见图 1。图 1 微力接触式测量原理图 测量系统主要包括光学成像、照明单元、光纤 触测单元和三维 CN C控制运动单元。 测量系统的原理是利用光学成像系统和 CCD 摄像机确定 被照明的接触测头的球心位置。经拉伸及弯曲后的光纤作为“测杆”置于光学系统的光轴上 ,在光纤的拉伸端粘有或利用热熔化方法形成的微型触测球体。微型触测球体被调整到光学系统的焦平 面内 ,并由光纤另一端的冷光源照明。由被照明的触测球体反射或漫反射回来的光经光学成像系统 在像平面的CCD上形成圆形亮光斑。当系统触测工件时 (触测球体相对于CCD移动 ) ,亮光斑的位置将发生变化。光斑中心位置的变化(与被测点的空间坐标相对应 )可以利用相应的图像处理软件以亚像素的精度计算出。 理论上讲，若光学系统采用 10倍的物镜 ,CCD 像素间距为10m, 则光学系统标尺应为1m 像素。当亮光斑在 CCD上所成的像多于50个像素 ,则利用亚像素插分优化算法 ,光斑中心位置 的横向分辨率可达 0.05m。当然 ,系统的实际横向分辨率还取决于图像算法和光斑的成像质量。 触测工件时触测球体在光轴方向上的离焦距 离可以利用CCD上形成的亮光斑直径的变化计算确定后进行补偿 ,即当触测球体离焦时 ,将导致亮光斑的边界对比度减弱 ,若采用灰度阀值法进行边界判断时 ,则相当于亮光斑的直径被放大了(见图 2)。亮光斑直径的变化和轴向离焦距离的关系可以通过实验标定出来。实验表明,在焦平面附近的一段区域内其关系呈线性。图 2 灰度阀值法边界判断时因离焦导致直径的变化 该原理中,传感器测杆直径为20m ,测头直径为40m100m。测量力小于10 mN ,测量不确定度小于1m。 该技术的缺陷是,测深孔时由于反射光或漫反射光的部分遮挡效应,使测量不能正常进行。212 振动扫描式测量技术该技术原理见图 3 。图 3 振动扫描式测量技术原理图 固定在测架上的振动器按照一定频率使探测器在被测表面的垂直方向上产生微小幅度的振动 ,当探测器与被测表面的距离减小至二者相接 近时,敏感电路将闭合。由于探测器一直处于振动状态 ,所以电路闭合现象是间歇发生的(见图 3)。当探测器按照一正弦信号激励振荡时 ,随着电压曲线的变化可获 V0 值。当探测器与被测表面间的距离变化时 ,信号的载荷周期亦随之变化。D与Xo之间的函数关系可由下式表示:D =1arccosx 0 ( - a x 0 a )ca式中 , a为振幅。 假定 a已知 ,探测器与被测表面间的距离可通过测量D和参考上式对应的理论曲线获得。 该技术可以测量100m左右的微孔 ,测量不确定度约为0.5m。受探测器测杆刚度限制,测杆不能太长 ,所以该技术的不足之处是深度测量范围较小。22 特点 科学是从测量开始的这是 19 世纪著名科学家门捷列夫的名言。近几十年来，仪器的精度经历了飞速的发展，从精密测量(0.5 m 0.05m )到超精密测量( 0.05 m 0.005m )，呈现出不同的特点。其中超精密测量技术主要呈现出如下的特点：测量精度明显提高一个数量级（同精密测量比较），达到了微米级甚至纳米级； 测量仪器本身体现出多学科交叉、仪器大型化的特点，以三坐标测量仪为例，就有光学、精密机械学、电子电路、计算机等学科交叉融合，光机电一体化的趋势越来越明显。复合型人才成为仪器科学的新宠儿；大型仪器工程项目更是对科研院所整体科研实力的检验。超精密测量技术同时也在新兴的分子生物学、医药学领域大放异彩，与新型高技术学科的紧密结合也成为超精密测量的新方向。3 高精尖装备与超精密测量31 我国高精尖装备发展现状装备制造业是任何一个发达工业体系的中枢，在经济成长和新型工业化过程中发挥着极为重要的作用,因而加快装备制造业特别是高端装备制造业的发展对于中国经济的健康运行具有重要的意义。它是促进工业产业结构优化升级，增强国民经济运行质量,提高工业经济效益的要求,也是扩大就业和确保国家经济安全的需要。而我国装备制造业尤其是高端装备制造业领域目前存在技术落后、产业研发能力弱以及重引进而不注重消化创新等问题。由于装备制造业承担着对其他产业提供技术手段的重要职能,因而其落后状况已制约了国家工业结构调整的进程。在当今激烈的国际竞争环境下，高端装备制造业领域的落后已经成为制约我们实现新型工业现代化的瓶颈。而高精尖装备不得不依赖进口的现状也对我们国家的安全构成了威胁。本文以被称为高精尖装备制造领域“珠穆朗玛峰”的光刻机为例，调查分析我国高精尖装备发展的现状，并试图提出意见与建议改变这种现状。311 光刻机现状 光刻是大规模集成电路制造中的核心步骤，它把要制作的电路结构(包括半导体器件、隔离槽、接触孔、金属互联线等图形)复制到硅片表面的光敏光刻胶上为下一步的刻蚀或离子注入做准备，因此集成电路集成度的提高与光刻技术密切相关，而事实上正是光刻技术的发展直接推动了集成电路的进步。新一代集成电路的出现总是代表当时最先进的光刻技术水平的应用，而相比于其他单个制造工艺技术而言，光刻对芯片性能的发展有着革命性的贡献。3111 行业现状光刻机是光刻工艺的重要设备，随着科技的进步和人类对更高更精细工艺的追求，经历了从接触式光刻机、接近式光刻机、全硅片扫描投影式光刻机、分布重复投影式光刻机到目前普遍采用的步进式扫描 投影式光刻机的发展历程。根据最新的国际半导体技术发展形势，半导体制造技术早在 2007年就已经达到65nm节点级别和l1nm的套刻精度，2008年45nm级别的产品就已经问世并已投入于芯片生产， 而各大厂商对32nm级别的研发工作同样紧锣密鼓地进行着。近年来，国际上用 于 65nm 节点的主流光刻机是193nm的ArF干式步进扫描投影式光刻机和193nm的浸没式光刻机，而用于45nm节点的主流光刻机是193nm的ArF浸没式光刻机。现对于一些主要芯片生产商使用 193nm浸没式光刻机的情况的统计可以看出 ASML(荷兰)、Nikon(美国)和 Canon(日本)三大厂商在 193nm 浸没式光刻机的研发和应用方面居于世界领先地位。3112 国际国内现状目前国际上光刻机的研发和制造几乎处于垄断地位，最大的三家生产商为ASMI(荷兰)、Nikon(美国)和 Canon(日本)。根据2007年的统计数据，ASML在中高端和最高端(如沉浸式)光刻机市场分别占据约60%和约80%的市场份额;不过，其竞争对手 Nikon和Canon也在奋力追赶,它们的主要优势在于相对较低的价格.ASMI 的 Twinscan系列光刻机是目前世界上精度最高、生产效率最高、应用最为广泛的高端光刻机型，全球绝大多数半导体生产厂商，如英特尔 (Inte1)、三星 (Samsung)、海力士 (Hynix)、台积电(TSMC)、中芯国际(SMI)等，均向 ASMI采购了该机型。而近期 AsML公司在 Twinscan系列的基础上推出了新一代创新光刻平台 TwinscanNXT，它大大地提 高了光刻性能：(1)具有创新的晶圆载物台设计，拓展Twinscan系统架构，能有效降低芯片成本;(2)晶圆载物台由特殊材料制成，重量大大减轻，这样减少了定位时问，使生产能力提高了至少30%；(3)先进的位置测量系统使得晶圆载物台的定位更加精确，从而使得套准精度提高近50%；(4)可以进行32nm及更为先进制造的量产，并且也适用于双图样曝光(doublepaterning)技术。中国是全球集成电路的最大消耗国，集成电路消耗占全球的24%以上，而国产集成电路国内市场自给率却少于10%,正因如此，光刻机才作为制造集成电路图案的最关键设备被国家“十一五”发展规划纲要明确定义为重点制造装备。但是，总体说来，中国光刻机研发和生产起步较晚，主要研发和生产单位有北京中国电子科技集团第45所、上海学泽光学机械有限公司(原上海光学机械厂)、西安西北机器厂、成都南光机械厂等，此外还有一些中外合资代工厂，产品的分辨力仅能达到微米或亚微米量级，同国外产品相比还有较大差距。目前国内大多数投影光刻机能做到的最小线宽是1.0m，它们通常使用高压汞灯作为光源，这类光刻机只适用于实验研究，其自动化和实用化程度还未能达到大规模生产企业用的标准。32 超精密测量技术在高精尖装备中的应用 随着科技的进步和发展，纳米级的光刻机、超精密车床、航天飞行器等一系列高精尖装备的出现既带动了测量技术的进步与发展，更是对超精密测量提出了新的要求和挑战。加工和测量就如同车之两轮，鸟之双翼。由此可以看出，测量技术特别是超精密测量技术是高精尖装备制造业的重中之重，其重要性不言而喻。本文以光刻机为例，调查研究了超精密测量技术在光刻机的生产过程中的应用，并分析了其中有关超精密测量的因素。321 超精密测量在光刻机中的应用光刻分辨力、套刻精度和生产效率是用于评价光刻机性能的三个主要参数光刻分辨力可通过缩短工作波长、提高数值孔径和改进工艺来提高；套刻精度是衡量分步重复投影光刻机的重要指标，主要受对准系统的对准精度影响，此外环境和工艺因素也会对它产生一定影响；生产效率的提高则涉及各方面的改善，包括掩模板、误差匹配、工艺流程等。目前用于提高光刻机性能的国际主流技术主要有双工件台技术、偏振光照明技术、折返式投影物镜、浸没式光刻技术和精密导轨系统等技术。其中，双工件台技术、偏振光照明技术和精密导轨系统均与超精密测量密切相关。下面，我们以双工作台技术为例进行分析。双工件台技术(dualstagetechnology)将两个工件台分别置于测量和曝光位置，同时独立完成测量和曝光操作，然后由计算机控制自动将两个工件台交换位置和任务。这样，可以缩短光刻所需要的时间，同时它也能满足越来越苛刻的调焦调平和对准精度的要求。比如：193nm浸没式光刻技术由于在“湿”环境下测量硅片表面形貌，数值孔径很大，光学调平传感器将在很大入射角的情况 下进行测量，因此检测难度大大增加，而将浸没式光刻技术与双工件台技术结合应用则可 以很好地改善光刻性能。双工件台技术最早由 ASMI 提出，并被应用在 Twinscan系列平台上，这使得在其它子系统相同的情况下，相对于单工件台系统的生产效率可以提高 35%左右。超精密测量技术的进步极大地推动了以超精密车床、光刻机为代表的一系列的高精尖装备的发展和进步，同时较大的提高了生产效率和精度，是高精尖装备制造的关键技术。4 小结与建议41 小结超精密测量作为高精尖装备制造业的重要技术，在高精尖装备制造中具有重要作用。而我国超精密测量技术与国外相比有较大差距，在测量精度与维度方面亟待提高。同时，随着国家的重视，该领域的科研实力大幅增强，关键技术不断取得重大突破，相信在不远的将来，我们一定会逐渐赶超世界先进水平。在工业领域，随着一批一线代工厂技术实力增强和经验的积累，实现高端装备特别是高精尖装备的国产化并打入国际市场的目标也正在实现。42 意见与建议根据我们的调查，结合我国高精尖装备制造领域的现状，通过我们小组成员的讨论，我们提出如下的建议：1 有效依托我国高等学府科研优势。一方面，开拓视野，加强国际交流合作，采取与国际先进的装备制造商共建实验室、鼓励科技人才走出去和与国际顶尖的科研机构、高校等建立长期合作交流机制等一系列方式，迎头赶上；另一方面，鼓励创新创业，通过营造创新环境，改善人才待遇，留住人才，用好人才。并积极鼓励创业，形成一批具有创新活力和市场竞争力的高技术企业。2 整合企业资源。一方面，进一步整合国内企业资源，形成具有一定规模和市场知名度的精品企业，推动企业改革，解放企业活力，引导合理竞争，促进企业生长；另一方面，强化企业的消化吸收能力，依托引进国外技术和自主创新，打破国外技术垄断。参考文献1 姜红.加快中国装备制造业发展的意义与对策.边疆经济与文化，2004，11：472 谭久彬.超精密测量技术与仪