清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李星輝副教授課題組的主要研究方向?yàn)榫芗{米光學(xué)測(cè)量技術(shù)與儀器。近期，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型零死區(qū)外差光柵干涉儀，尺寸僅為 90×90×40mm3。值得關(guān)注的是，該系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)超高精度（0.1nm 量級(jí)）和三自由度（X、Y、Z 軸）位移測(cè)量。

研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在 X 軸和 Y 軸可實(shí)現(xiàn)的分辨率為 0.25nm，Z 軸分辨率達(dá) 0.3nm，重復(fù)定位誤差優(yōu)于 0.8nm，線性度最高能達(dá)到 6.9×10-5。

圖丨李星輝教授團(tuán)隊(duì)（來(lái)源：李星輝）

李星輝對(duì) DeepTech 表示：“這項(xiàng)研究歷時(shí)五年多，我們團(tuán)隊(duì)從原理到技術(shù)再到系統(tǒng)進(jìn)行了一系列創(chuàng)新，率先在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了兼具原子級(jí)和多維度的光柵干涉測(cè)量系統(tǒng)。

該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，有望應(yīng)用于極紫外（EUV，Extreme Ultra-violet）光刻機(jī)、原子力顯微鏡為代表的掃描探針測(cè)量系統(tǒng)、太空望遠(yuǎn)鏡以及其他超精密制造與計(jì)量領(lǐng)域。

近日，相關(guān)論文以《面向多維度原子級(jí)測(cè)量的集成零死區(qū)外差光柵干涉儀》（Towards multi-dimensional atomic-level measurement: integrated heterodyne grating interferometer with zero dead-zone）為題發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing[1]。清華大學(xué)博士研究生崔璨和碩士畢業(yè)生高旅業(yè)為論文共同第一作者，李星輝副教授擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Light: Advanced Manufacturing）

“死區(qū)”問(wèn)題是當(dāng)下激光干涉儀方法和光柵干涉儀技術(shù)普遍面臨的挑戰(zhàn)，它指的是測(cè)量與參考光路之間的距離差。崔璨解釋說(shuō)道：“一個(gè)光路會(huì)經(jīng)過(guò)測(cè)量目標(biāo)，而另一個(gè)則不會(huì)，這會(huì)導(dǎo)致天然的距離差，對(duì)高精度測(cè)量產(chǎn)生很大的影響。因此，‘死區(qū)’如何消除是當(dāng)今學(xué)術(shù)界公認(rèn)的難題?！?/p>

圖丨新型集成式零死區(qū)外差光柵干涉儀（來(lái)源：該團(tuán)隊(duì)）

研究人員通過(guò)一系列仿真和分析，建立了“零死區(qū)”的新概念。他們通過(guò)雙二維光柵和雙頻激光光源的對(duì)稱布置，實(shí)現(xiàn)了自然光路和測(cè)量光路的物理對(duì)稱性，從而在原理上消除了“死區(qū)”。

串?dāng)_誤差是高精度多維測(cè)量的重要問(wèn)題之一。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)串?dāng)_誤差進(jìn)行了系統(tǒng)性歸類：第一類是測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部串?dāng)_，第二類是安裝位姿的串?dāng)_，第三類是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)固有串?dāng)_。

圖丨系統(tǒng)實(shí)拍圖（來(lái)源：該團(tuán)隊(duì)）

此外，研究團(tuán)隊(duì)還針對(duì)串?dāng)_誤差，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的算法校正：首先，利用連續(xù)小波變換分析信號(hào)，精確識(shí)別串?dāng)_噪聲類別；然后，通過(guò)一系列數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將其從真實(shí)的數(shù)據(jù)中剝離；最終，輸出純凈、準(zhǔn)確的位移信號(hào)。

“通過(guò)該方法，我們成功地將三類串?dāng)_誤差整體降低到 5% 以下，顯著提升了多維測(cè)量的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。”李星輝表示。

那么，這種能夠同時(shí)測(cè)量三個(gè)自由度（X、Y、Z 軸）位移的干涉儀，在工業(yè)場(chǎng)景中具有怎樣的重要意義呢？

首先，在高端制造領(lǐng)域，尤其是對(duì)于半導(dǎo)體光刻場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，涉及多維度的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。因此，該研究中所實(shí)現(xiàn)的三自由度測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)不僅在于能夠提高精度和降低成本，還能夠使光刻機(jī)中的晶圓在多維度進(jìn)行納米級(jí)精確對(duì)準(zhǔn)，有利于助力國(guó)家關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，精度是否可達(dá)到原子級(jí)別是前沿科技能否從“做到”到“做好”的重要分水嶺。具體而言，光刻系統(tǒng)中組件精度是否能達(dá)到原子級(jí)別，與芯片的性能和集成度密切相關(guān)。因此，推動(dòng)原子級(jí)測(cè)量的高精度是推動(dòng)摩爾定律延續(xù)，實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)智能芯片的底盤技術(shù)。

圖丨原子級(jí)測(cè)量示意圖（來(lái)源：該團(tuán)隊(duì)）

“此外，原子級(jí)精度對(duì)原子級(jí)制造領(lǐng)域也意義非凡。無(wú)論是制造新材料，還是構(gòu)建新型醫(yī)療機(jī)器人，都需要精確操控和放置每個(gè)原子和分子，因此原子級(jí)精度是實(shí)現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域突破的前提和保障?！贝掼惭a(bǔ)充說(shuō)道。

李星輝指出，該技術(shù)有望率先在高端機(jī)床方向應(yīng)用。據(jù)介紹，該技術(shù)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，正在向產(chǎn)業(yè)化落地推進(jìn)。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在與國(guó)內(nèi)頭部的高科技公司進(jìn)行密切合作，并計(jì)劃逐步進(jìn)行系統(tǒng)性的工程化開(kāi)發(fā)。

在接下來(lái)的研究階段中，研究人員計(jì)劃在以下三方面繼續(xù)拓展：

第一，將三維向六維擴(kuò)展，為精密運(yùn)動(dòng)控制提供最完備的空間信息。

第二，實(shí)現(xiàn)更高精度和動(dòng)態(tài)性能。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)希望向皮米靜態(tài)分辨率及高速運(yùn)動(dòng)下依然保持納米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)性能的目標(biāo)邁進(jìn)。

第三，智能化和自校準(zhǔn)?？深A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)的測(cè)量系統(tǒng)將向智能化發(fā)展。因此，研究團(tuán)隊(duì)希望能夠通過(guò)內(nèi)置算法進(jìn)行自診斷和自校正，來(lái)實(shí)現(xiàn)即插即用和免維護(hù)，從而降低對(duì)設(shè)備使用環(huán)境和操作人員的相關(guān)要求。

參考資料：

1.Cui et al. Towards multi-dimensional atomic-level measurement: integrated heterodyne grating interferometer with zero dead-zone. Light: Advanced Manufacturing 6:40 (2025).https://doi.org/10.37188/lam.2025.040

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍