弦波相位調制光柵干涉儀 之位移量測系統開發

1. 弦波相位調制光柵干涉儀
之位移量測系統開發
Development of sinusoidal phase modulation grating
interferometer for displacement measurement
李朱育, 林志穎
國立中央大學 機械工程研究所

2. Motivation
• 半導體產業
• 工具機產業
• ...
2
各式位移感測器：
光學尺/光學干涉儀
精密位移平台/探頭/加工件
精密加工/量測

3. 常用的位移量測技術
3
• Linear Variable Differential Transformer, LVDT
• Capacitive sensors (電容式位移計)
• Laser displacement sensor (雷射位移計)
• Optical encoder (光學尺)
• Michelson Interferometer: two beams
Keyence Pololu Zumo 32U4 Robot
奈米趨勢科技

4. Optical heterodyne grating interferometry for displacement
measurement with subnanometric resolution
4
J.YLee, H.Y.Chen, C.C Hsu, C.C. Wu, Sensors and Actuators A 137 (2007) 185–191
4

5. Purpose
弦波相位調制
光柵干涉儀
架構簡單
高精度 位移量測
體積小
5

6. Working Principle
• Sinusoidal phase modulation
• Diffraction and interference by grating
• Optical configuration
• Phase demodulation
6

7. Sinusoidal phase modulation
7
f+1
=
2p
L
acos(wt)
FG PZT Grating Heterodyne light source

8. Diffraction and interference by grating
8
1
i
AE Ae
 
I =1+V cos(2kz -2f)
2
1
i kz i
BE Be 
 
2 = cos( )t 
＋
2
sinqi
-sinqm
= m
l
L
order 1
order 0
order -1
Mirro
r
Grating
qi
EA
EB
qm
EA+2 +EB0
EA+1 +EB-1
EA0 +EB-2

9. Optical configuration
9
 Laser wavelength：633nm
 Grating pitch：1.66μm
 PZT：PI P-611.3s
 Mirror：PF10-03-P01
 Detector ：PDA36A
Laser
Detector
PZT
z
DAQ PC
Mirror

10. Phase demodulation
10
Г=2.63
1 1 sin 2I J V kz
2 2 cos2I J V kz
z =
l
4p
×tan-1 I1
I2
   1 2J J  

11. Phase demodulation
11
FGPZT
Interferometer
Gain
coswt
cos2wtsinwt
LPF
LPF
z =
l
4p
tan-1 I1
I2
æ
èç
ö
ø÷
I1
=2J1
(G)V sin2kz
I2
= 2J2
(G)V cos2kz

12. Experiments
Displacement measurement: several micrometer
to nanometer
Comparing with strain gauge
Performance:
» Stability testing
» resolution/sensitivity/speed
» Periodic nonlinear error
12

13. 80 mm
13
應力計(mm) 干涉儀(mm) 差量(nm) 差量比(%)
弦波(80mm) 平均值 80.284 79.731 556 0.692
標準差 0 0.174
三角波(80mm) 平均值 80.284 79.642 643 0.800
標準差 0 0.174

14. 20 mm
14
應力計(mm) 干涉儀(mm) 差量(nm) 差量比(%)
弦波(20mm) 平均值 21.713 21.734 -21 -0.097
標準差 0.006 0.012
三角波(20mm) 平均值 21.257 21.258 -1 -0.002
標準差 0.010 0.007

15. 4 mm
15
應力計(nm) 干涉儀(nm) 差量(nm) 差量比(%)
弦波(4mm) 平均值 4025 4021 4 0.108
標準差 3 7
三角波(4mm) 平均值 3948 3938 10 0.249
標準差 2 9

16. 2 mm
16
應力計(nm) 干涉儀(nm) 差量(nm) 差量比(%)
弦波(2mm) 平均值 2194 2192 3 0.114
標準差 3 7
三角波(2mm) 平均值 2162 2155 7 0.316
標準差 3 4

17. Submicrometer scale 0.6 um
17
應力計(nm) 干涉儀(nm) 差量(nm) 差量比(%)
弦波(600mm) 平均值 622 622 0 0.027
標準差 4 4
三角波(600mm) 平均值 612 607 5 0.844
標準差 3 4

18. Nanometer scale
18
應力計(nm) 干涉儀(nm) 差量(nm) 差量比(%)
步階50nm 平均值 50.16 48.77 1.38 2.76
標準差 4.33 3.30
步階20nm 平均值 18.12 17.82 0.31 1.69
標準差 1.34 2.48
步階10nm 平均值 9.66 8.91 0.75 7.74
標準差 2.17 1.85
50nm 20nm 10nm

19. Comparing with strain gauge
19
0.6 2 4 10 20 80
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Standarddeviation(%)
Range(μm)

20. Performance: Stability testing
20

21. Performance: resolution/sensitivity/speed
21
Measurement resolution
Measurement sensitivity
Limitation of measurement speed
633
9 =2.85 /
2
m sm
0.08 633
= 2
4 2 4
z nm nm


 
     
4 720
2 1.14 /
633
k z nm
nm




      

22. Performance: Periodic nonlinear error
22
2 2
1 2 1I I Error signal：
1
( , , )
sin2 sin4
tan
cos2 cos4
J z
kz kz
J
kz kz
 


  
  
 
5 nm

23. Summary
23
弦波相位調制
光柵干涉儀位
移量測系統
降低解相的
成本
減小本量測
系統的體積
以簡單的架
構完成位移
量測系統(只
需要一個光
檢測器)
弦波相位調制光柵干涉儀
解析度
2nm
靈敏度
1.14°/nm
量測速度
2.85 mm/s

24.  表面電漿共振感測技術
 準共光程干涉儀
 疊紋自動對焦系統
 波長調制外差技術
 精密定位技術

25.  準共光程干涉儀
2 D QCOP
2 D QCOP
H.L. Hsieh, J.C. Chen, G. Lerondel, J.Y. Lee, Two-dimensional displacement measurement by quasi-
common-optical-path heterodyne grating interferometer, Opt. Exp. 19, 9770(2011)

26.  波長調制外差技術
H.L. Hsieh, J.C. Chen, G. Lerondel, J.Y. Lee, Two-dimensional displacement measurement by quasi-
common-optical-path heterodyne grating interferometer, Opt. Exp. 19, 9770(2011)

27. • 晶圓表面溫度量測：根據普朗
克黑體輻射定律來計算晶圓表
面溫度，並搭配位移平台來達
到晶圓表面溫度二維量測。
 靜態監控晶圓表面溫度
 晶圓表面溫度全貌量測
• 薄膜相關參數量測：以光學干
涉術為基礎，自行開發演算法
來計算製程薄膜相關參數。
 薄膜之折射率
 薄膜成長速率
 薄膜厚度
 半導體參數量測系統之開發

28. 晶圓表面溫度量測

29. Thank you for listening