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二维零位光栅原理及其实验系统研究

【摘要】: 随着微电子工业和纳米加工技术的飞速发展,对超高精度的定位基准的要求也越来越高,绝对坐标系下的参考基准是非常重要的。在国家教育部博士点基金(No.20030358020)的资助下,本课题对一种特殊编码的二维零位光栅进行了系统地研究。 这种二维零位光栅采用在二维方向上的非周期性编码产生一个表征绝对零位的最大输出峰,当两块二维零位光栅的相互位置完全对准时,透过的光强达到峰值,峰值的半宽仅为一个光栅单元栅格尺寸,并且在峰值以内保持了良好的线性,当两块二维零位光栅的相互位置稍有移动,透过光强急剧衰减。 本文的主要研究内容包括以下几方面: 首先,对基于自相关理论的二维零位光栅编码设计进行了总结和发展,结合遗传算法,提出一种首先优化设计较为易于得到的一维编码,然后扩展为二维零位光栅的编码新方法,通过验证,该方法能在保持峰值对比度的前提下有效降低计算量。并且针对不同的应用场合,采用不同的方法成功设计了多组不同特性的二维零位光栅编码。 其次,由于光栅单元栅格尺寸的不断减小,衍射效应的影响将无法忽略,本文对衍射效应下二维零位光栅的性能进行了系统的理论研究,研究结果表明,利用忽略衍射效应的自相关理论设计的光栅编码在一定条件下是可用的,但是激光频率、光栅面间距、光栅尺寸等参数对光强输出产生了很大的影响。这些与衍射相关的参数不仅会改变输出零位峰值的线性和对比度,而且,当光栅面间距足够大时,甚至会使零位峰值发生反转。利用衍射计算,本文还分析了多种光栅安装误差和制造误差对光强输出的影响,结果表明二维零位光栅系统具有减小输出误差的平均效应。 再次,搭建了二维零位光栅的性能试验和重复定位精度实验系统,对实验系统的光路布置,电路设计以及系统软件进行了详细的描述。实验结果表明:采用栅格常数为5μm的二维零位光栅为核心器件,该系统可以达到优于20nm的定位精度,实验的结果与理论研究的结果很好的吻合。 最后,对二维零位光栅的一些应用进行了展望,包括二维零位光栅在二维绝对位移测量、光刻掩模——硅片对准、SPM仪器漂移标定等方面的应用以及基于二维零位光栅的三维绝对零位的获得几方面。

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