用基于多波长干涉测量的传感器重新定位精度位置计量

要测量到纳米级并非易事，实现这一目标需要仔细的工程设计和稳定的传感器。半导体光刻机内用于台位置反馈的传感器定期达到该精度水平；为了满足这一应用，ZYGO已经提供了三十年的位移测量干涉仪（DMIs）。这一经验使该公司更好地理解了可靠实现亚纳米级精度所需的所有考虑因素。

ZPS是ZYGO的最新产品，是一种光学传感器系统这提供了亚纳米精度的绝对位置。如今，市场上有大量的传感器都声称拥有这种能力，但如果没有行业标准的定义，就很难比较两个完全不同的传感器并理解它们的相对性能。本文讨论了ZYGO的经验，解释了描述位置传感器质量的常用术语，并演示了ZPS如何使用ZYGO的专利技术提供卓越的性能。¹

ZPS系统是一种基于光纤的干涉仪传感器，可在1.2 mm的行驶范围内以高重复性（0.5nm3σ）和低噪声（≤0.02nm/√Hz）提供绝对位置。系统最多可提供64个同步通道，系统可选择最多208 kHz的数据速率。最适合要求大量（> 16）测量通道或需要最高质量的测量的应用。

与编码器或电容计等其他技术相比，光学传感器具有许多优势。光学传感器对电磁干扰不敏感，能够直接测量，并且不会产生任何热量。由于光缆可能相对较长，并且比电缆更灵活，因此布线限制最小。ZPS传感器高度紧凑（3×27 mm），允许在空间限制严重的应用中进行计量。

它是如何工作的

ZPS在一个设备中集成了三种类型的干涉测量:外差、多波长和耦合腔干涉测量(见图1)。

图1所示。底盘（A）和传感器（B）显示为ZPS绝对位置传感器;传感器基于多波长（c），外差和耦合腔干涉法（D）。

多波长干涉测量是通过求解等式的若干实例，2d =mλ+φ重建两个表面之间的绝对距离的方法，其中d表示目标和传感器参考表面之间的距离，φ是分数（残差）干扰项，λ是波长。这些等式可以使用精确分数的方法来解决，于1898年由Jean-RenéBenoît开发。

多波长干涉法允许ZPS系统测量目标和传感器之间的实际距离。ZPS采用三个已知波长，测量剩余干涉项，然后求解m和d。ZPS算法的重复性≤0.5 nm 3σ。在校准步骤中，所有通道上同时测量绝对距离，大约需要一秒钟;然后使用外差位移干涉法来跟踪位置的变化。

外差干涉测量采用两种频率的光，由于时间干扰而产生恒定的信号。这种想法类似于调频广播，在调频广播中，载波频率被调制来传输信息，从而降低噪音，提高性能。这就是为什么调频广播听起来更好听的原因;使用这种技术，位置干涉测量也能产生更好的结果。为了产生载频，ZPS采用电光调制器。

为了在短距离内测量位移，耦合腔干涉仪与低相干光源结合使用。干涉仪测量臂的标称零点由参考腔确定。ZPS通过在未调制光和调制光之间引入延迟来使用这种结构。目标和传感器之间的标称距离由该路径延迟设置；该路径延迟的变化将表现为目标的明显运动。系统内的热稳定腔体跟踪路径延迟的变化，并实时从数据中移除该误差源。

ZPS的关键性能规范如表所示，其中一些术语通常由所有传感器制造商发布。分辨率通常被认为是性能的指标，是比较多个选项的指标。不幸的是，这个数字表示不同的事情，这取决于发布它的公司。和往常一样，细节是关键，阅读这些细节很有必要，以了解这些规范中关于传感器性能的内容。

规范

．	．
测量通道	最多64个
工作距离	3.5毫米
噪声密度(3σ)	0.02 nm /√赫兹
稳定	1纳米/天
非线性	±1海里
重复性(3σ)	0.5纳米
数字分辨率	0.01纳米
最大数据速率	208千赫

决议意味着什么

分辨率可能是用于描述传感器性能的最误解的术语。在某些情况下，分辨率仅是从设备的最小计数增加 - 噪声地板可以是较高的数量级。在其他情况下，分辨率包括噪声，但要么隐藏在非常精细的打印中或无法指定带宽。滚动平均值和低带宽的交易动态响应，以获得更好的分辨率。如果没有明确说明，则必须询问供应商指定分辨率的带宽以了解传感器的真实性能。

ZYGO使用数字分辨率这一术语来表示可用的最小计数增量。这个数字应该低于噪音下限(但不太远)，以解决传感器的噪声限制性能。使用ZPS, ZYGO指定带宽无关噪声(0.02 nm/√Hz)、数字分辨率(0.01 nm)和最大带宽(104 kHz)。所有这些规格都可以同时获得。

除了分辨率和噪声方面的考虑之外，还有一些公司对传感器的其他误差来源不太直接。所有这些来源可以组合起来形成一个总的测量不确定数，它真正说明了传感器在特定应用中的实际性能预期。ZYGO了解我们产品的总测量不确定度，并与客户分享这一见解。

定义传感器性能

传感器系统的总不确定度是对其性能的实际测量。理解不确定性是相当复杂的，甚至是研究生水平的大学课程本身。不确定度分析的主要目标是在统计上整合所有潜在的误差来源，以产生一个标准偏差。ISO的测量不确定度表达指南(也称为GUM)提供了对该过程的全面概述。²

除了噪音之外，位置传感器的不确定度的主要来源是长度，环境效果，安装和长度稳定性。

Bob Hocken，北卡罗来那大学夏洛特分校的杰出教授和纳米计量中心的前主任，曾说过：“我制造的每台机器都是温度计。”因此，传感器的行为受到温度变化的影响就不足为奇了。此外，任何非接触式传感器在真空之外工作时，还必须考虑气体含量、湿度和压力。一种折射计附件保证检测空气的实际折射率，并将传感器测量值与环境效果实时抵消到亚腔轮辊级。

每个传感器技术都有自己的非线性来源。关于干涉仪，这通常来自错误的反射，并将其自身作为数据中的正弦误差显示为术语循环误差。在其他传感器技术的情况下，从工厂校准的极限可能出现非线性。必须知道这些错误存在以及它们的幅度是什么。ZPS通过专利的循环误差的专利的主动补偿过程和低阶项的工厂校准来处理非线性源。结果是低于±1nm的低残留非线性。

为了实现低不确定性，传感器长度尺度的稳定性是一个重要的考虑因素。用于测量的光的波长是干涉仪系统的长度标尺。通过使用底盘内部的热控制腔，ZPS主动跟踪波长的变化，并自动对任何测量变化的数据进行补偿。ZPS的稳定性规格为≤1nm /day;确认数据显示实际性能要好得多。

对精密计量挑战的设计师通常不考虑传感器安装的重要性。无论所用技术如何，传感器安装的运动都不可能区分目标的运动。因此，应识别传感器的参考表面，并且其位置应保持在预期的振动和热范围内。ZPS的参考表面位于传感器的正面，使得能够设计紧张的计量循环。在其他传感器中，在传感器封装内部存在暗示或掩埋。这对设置增加了更多的不确定性，并使其更复杂地发展良好的计量。

它的性能

尽管有所有的挑战，仍然有可能实现纳米级的计量性能。下图所示的图形展示了实际ZPS性能的示例数据。

以下是试验条件的说明。

稳定性：ZYGO在典型的实验室环境(±0.5°C)中使用空气间隔的Zerodur空腔测量系统稳定性。使用折射计附件进行环境补偿。为了将稳定性测量从噪声中分离出来，每一个数据点表示1秒内的平均值。结果是在四天的时间内产生<0.2 nm的漂移。

非线性:ZPS数据同时根据基于标准氦氖激光器的DMI系统收集。如图所示，循环误差的界限被添加到测量的低阶效应中。低阶非线性源于目标通过光束焦点时的相位变化。由此产生的非线性是≤在整个测量范围内±0.4 nm。

噪声:此测量中使用实心玻璃标准具来消除机械振动。测量是在5 kHz的标称实验室环境下进行的，随后转换为与带宽无关的噪声系数。ZPS具有分层规格，其中中心±100µm范围的噪声规格降低了4倍。

可重复性:绝对距离是由校准程序建立的，在相当长的一段时间内反复运行。采用空气间隔的Zerodur标准具消除机械噪声;测量是在几个这样的标准具上同时进行的。证明的结果远低于0.5 nm 3σ规范。

图2。来自ZPS传感器的性能数据图显示了长期稳定性（A）;非线性误差，全冲程范围（b）;噪音，全冲程范围（c）;和系统重复性（d）。

总结

有了对不确定性的透彻理解，比较传感器变得更加容易，即使它们使用不同的技术。ZYGO广泛的精度计量经验使设计和生产高质量位置传感器如ZPS，以解决各种应用的不确定性需求。

参考文献

1.参见美国专利7636166；7,639,367; 7,826,064; 和9115975。

2.看见www.bipm.org/en/publications/guides．

这些信息已经从Zygo公司提供的材料中获得，审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问Zygo Corporation。