專利名稱：亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種亞納米級(jí)的信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)，應(yīng)用于雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)中，可廣泛用于超大規(guī)模集成電路加工設(shè)備、精密機(jī)床等的在線位移測(cè)量、誤差修正和控制等方面。
背景技術(shù)：
我國(guó)在超大規(guī)模集成電路制造領(lǐng)域一直落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，其中一個(gè)重要原因就是我國(guó)光刻設(shè)備研制水平的落后，而制約光刻設(shè)備提高的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸就是沒(méi)有自主研制的高精度測(cè)量系統(tǒng)。雙頻激光干涉儀是激光在計(jì)量領(lǐng)域中最成功的應(yīng)用之一，是光刻設(shè)備中最具權(quán)威的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器，是精密機(jī)械工業(yè)不可缺少的測(cè)量工具。理論上，不對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，則測(cè)量精度只能達(dá)到激光光源波長(zhǎng)的二分之一，此精度在很多應(yīng)用場(chǎng)合都達(dá)不到分辨力要求，尤其是在光刻設(shè)備的測(cè)量系統(tǒng)中。而要提高測(cè)量精度，則必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，因此細(xì)分功能模塊是雙頻激光干涉儀提高分辨率的核心組成部分。傳統(tǒng)的基于鎖相環(huán)的細(xì)分方法受限于電子器件和測(cè)量目標(biāo)的移動(dòng)速度，而基于填脈沖的數(shù)字鑒相細(xì)分方法也受限于計(jì)數(shù)器，因此對(duì)精度的提高非常有限。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種細(xì)分精度高的亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)，包括測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路、參考信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)字鑒相電路、主時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路、移項(xiàng)器組、計(jì)數(shù)電路、計(jì)數(shù)器組及運(yùn)算處理電路，測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路和參考信號(hào)預(yù)處理電路分別完成測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的光電檢測(cè)、放大、濾波與整形后，輸出為兩路方波數(shù)字信號(hào)后，送入數(shù)字鑒相電路進(jìn)行鑒相，輸出具有一定寬度的數(shù)字脈沖信號(hào)，數(shù)字鑒相電路輸出信號(hào)的上升沿驅(qū)動(dòng)主時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，移相器組對(duì)主時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精確移相，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器組計(jì)數(shù)；數(shù)字鑒相電路輸出信號(hào)的下降沿作為計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器組的停止控制信號(hào)；計(jì)數(shù)結(jié)束后，結(jié)果送入運(yùn)算處理電路計(jì)算處理后得出最終細(xì)分結(jié)果。
本發(fā)明的原理本發(fā)明引入了由K個(gè)移相器組成的移相器組，對(duì)主時(shí)鐘發(fā)生器輸出的時(shí)鐘進(jìn)行移相并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器組進(jìn)行計(jì)數(shù)。數(shù)字鑒相電路對(duì)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行鑒相，輸出為一定寬度的數(shù)字脈沖，計(jì)數(shù)器組在鑒相輸出的控制下進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于移相器的作用，計(jì)數(shù)器組的輸出必然會(huì)出現(xiàn)差異，即從計(jì)數(shù)器組的某一個(gè)計(jì)數(shù)器開(kāi)始，其計(jì)數(shù)輸出會(huì)與在此計(jì)數(shù)器之前的所有的計(jì)數(shù)器的輸出不同。若記下此計(jì)數(shù)器的位置，并通過(guò)運(yùn)算處理電路的處理就可得到細(xì)分結(jié)果。若計(jì)數(shù)電路的計(jì)數(shù)輸出為N1，且計(jì)數(shù)器組中最先開(kāi)始出現(xiàn)計(jì)數(shù)輸出差異的計(jì)數(shù)器的位置為n(0≤n≤K)，則得到細(xì)分結(jié)果(非整數(shù)計(jì)數(shù)部分)為ε＝(N1-1)×K+n。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明具有更高的細(xì)分精度，且更穩(wěn)定和可靠。傳統(tǒng)的基于填脈沖的細(xì)分方法其細(xì)分精度只能達(dá)到激光波長(zhǎng)的幾十或者幾百分之一，由于移相器組的引入，使得細(xì)分精度可在基于填脈沖的細(xì)分方法的基礎(chǔ)上提高K倍，從而大大地提高了細(xì)分精度，使得本發(fā)明可以滿足高精密加工領(lǐng)域應(yīng)用的要求。此外，本發(fā)明采用高速數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，比傳統(tǒng)的細(xì)分系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。
圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中的測(cè)量信號(hào)預(yù)處理結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中的移相器組結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖1中的計(jì)數(shù)器組結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例由測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路1、參考信號(hào)預(yù)處理電路2、數(shù)字鑒相電路3、主時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路4、移項(xiàng)器組5、計(jì)數(shù)電路6、計(jì)數(shù)器組7及運(yùn)算處理電路8組成，測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路1和參考信號(hào)預(yù)處理電路2分別完成測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的光電檢測(cè)、放大、濾波與整形后，輸出為兩路方波數(shù)字信號(hào)后，送入數(shù)字鑒相電路3進(jìn)行鑒相，輸出為一定寬度的數(shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)字鑒相電路3輸出信號(hào)的上升沿驅(qū)動(dòng)主時(shí)鐘發(fā)生電路4產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器6計(jì)數(shù)，移相器組5對(duì)主時(shí)鐘發(fā)生電路4產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精確移相，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器組7計(jì)數(shù)，數(shù)字鑒相電路3輸出信號(hào)的下降沿作為計(jì)數(shù)器6和計(jì)數(shù)器組7的停止控制信號(hào)。計(jì)數(shù)結(jié)束后，結(jié)果送入運(yùn)算處理電路8計(jì)算處理后得出最終細(xì)分結(jié)果。
細(xì)分測(cè)量精度計(jì)算公式resolution=flaserf1·(k+1)·λN]]>其中flaser為信號(hào)頻率，f1為主時(shí)鐘發(fā)生電路4輸出的時(shí)鐘頻率，K為移相因子，N為光學(xué)倍頻數(shù)。本發(fā)明實(shí)施例中的flaser為2.5MHZ，f1為80MHZ，K為15，N＝2，則最終精度為λ/1024(0.6nm)。K一般選為2n-1(n為正整數(shù))；N由雙頻激光干涉儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，一般取為2。
如圖2所示，測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路1由光電轉(zhuǎn)換電路11、運(yùn)算放大電路12、濾波電路13、整形電路14組成，光電轉(zhuǎn)換電路11接收儀器輸出的光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，運(yùn)算放大電路12的作用是對(duì)光電轉(zhuǎn)換電路11輸出電信號(hào)進(jìn)行放大，使其滿足后續(xù)電路處理要求，濾波電路13的作用是濾除信號(hào)中的高頻噪聲，整形電路14的作用是將濾波電路13輸出的正弦信號(hào)整形為適合數(shù)字器件處理的數(shù)字脈沖信號(hào)。參考信號(hào)預(yù)處理電路2與上述的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程相似。
數(shù)字鑒相電路3采用的是安美森半導(dǎo)體公司的高速3態(tài)ECL鑒頻鑒相器芯片MC100EP140DG。
主時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路4為高精度時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路，采用的是安美森半導(dǎo)體公司的NB4N441MNR2G，其tJitter(Typ)＝3.5(ps)。
如圖3所示，移項(xiàng)器組5高精度精密移相器組，誤差≤2％。它由移項(xiàng)器51、移項(xiàng)器52、移項(xiàng)器53及移項(xiàng)器5K總共K個(gè)移項(xiàng)器組成。每個(gè)移項(xiàng)器的特性均相同，作用是使輸入信號(hào)移動(dòng)特定相位輸出，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器組7計(jì)數(shù)。
如圖4所示，計(jì)數(shù)器組7由計(jì)數(shù)器71、計(jì)數(shù)器72、計(jì)數(shù)器73及計(jì)數(shù)器7K總共K個(gè)計(jì)數(shù)器組成。每個(gè)計(jì)數(shù)器的特性均相同，作用是對(duì)移項(xiàng)器組5相對(duì)應(yīng)的移項(xiàng)器輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)。
運(yùn)算處理電路8由Altera公司的EPM240芯片組成，主要功能是根據(jù)主時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的輸出以及計(jì)數(shù)器組中計(jì)數(shù)開(kāi)始出現(xiàn)差異的位置計(jì)算出測(cè)量結(jié)果的非整數(shù)計(jì)數(shù)部分的細(xì)分值。
權(quán)利要求
1.亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于包括測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路(1)、參考信號(hào)預(yù)處理電路(2)、數(shù)字鑒相電路(3)、主時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路(4)、移項(xiàng)器組(5)、計(jì)數(shù)電路(6)、計(jì)數(shù)器組(7)及運(yùn)算處理電路(8)，測(cè)量信號(hào)預(yù)處理電路(1)和參考信號(hào)預(yù)處理電路(2)分別完成測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的光電檢測(cè)、放大、濾波與整形后，輸出為兩路方波數(shù)字信號(hào)后，送入數(shù)字鑒相電路(3)進(jìn)行鑒相，輸出具有一定寬度的數(shù)字脈沖信號(hào)，數(shù)字鑒相電路(3)輸出信號(hào)的上升沿驅(qū)動(dòng)主時(shí)鐘發(fā)生電路(4)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器(6)計(jì)數(shù)，移相器組(5)對(duì)主時(shí)鐘發(fā)生電路(4)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精確移相，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器組(7)計(jì)數(shù)；數(shù)字鑒相電路(3)輸出信號(hào)的下降沿作為計(jì)數(shù)器(6)和計(jì)數(shù)器組(7)的停止控制信號(hào)；計(jì)數(shù)結(jié)束后，結(jié)果送入運(yùn)算處理電路(8)計(jì)算處理后得出最終細(xì)分結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于所述的主時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路(4)為高精度時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路，其tJitter(Typ)＝3.5(ps)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于所述的移項(xiàng)器組(5)為高精度精密移相器組，它由移項(xiàng)器(51)、移項(xiàng)器(52)、移項(xiàng)器(53)及移項(xiàng)器(5K)總共K個(gè)移項(xiàng)器串接組成，每個(gè)移項(xiàng)器的特性均相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)，其特征在于所述的計(jì)數(shù)器組(7)由計(jì)數(shù)器(71)、計(jì)數(shù)器(72)、計(jì)數(shù)器73及計(jì)數(shù)器(7K)總共K個(gè)計(jì)數(shù)器組成，每個(gè)計(jì)數(shù)器的特性均相同。
全文摘要
亞納米級(jí)雙頻激光干涉儀信號(hào)細(xì)分系統(tǒng)，包括測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)預(yù)處理電路、數(shù)字鑒相電路、主時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路、移項(xiàng)器組、計(jì)數(shù)電路、計(jì)數(shù)器組及運(yùn)算處理電路，測(cè)量和參考信號(hào)預(yù)處理電路分別完成測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的光電檢測(cè)、放大、濾波與整形后，輸出為兩路方波數(shù)字信號(hào)后，送入數(shù)字鑒相電路進(jìn)行鑒相，數(shù)字鑒相電路輸出信號(hào)的上升沿驅(qū)動(dòng)主時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，移相器組對(duì)主時(shí)鐘發(fā)生電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行精確移相，并驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器組計(jì)數(shù)；數(shù)字鑒相電路輸出信號(hào)的下降沿作為計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器組的停止控制信號(hào)；結(jié)果送入運(yùn)算處理電路計(jì)算處理后得出最終細(xì)分結(jié)果。本發(fā)明使雙頻激光干涉儀的測(cè)量精度達(dá)到亞納米級(jí)，具有高精度、高可靠性的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101050941SQ20071009949
公開(kāi)日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者鄧玖根, 唐小萍, 胡松, 張正榮, 邢薇, 嚴(yán)偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所