CN116519737A - 一种高精度热膨胀系数测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度热膨胀系数测量装置及测量方法，涉及膨胀系数测量技术领域，包括真空腔、设置在真空腔内的用于放置待测样品的恒温器、设置在真空腔内用于采集到待测样品两端的距离的距离采集机构，所述距离采集机构位于恒温器外侧，还包括用于测量距离采集机构的两端采集点之间距离的总长测量组件。基于本发明的技术方案，采用多个激光干涉仪在真空环境中对待测样品的长度变化量进行测量，真空环境有效的避免了环境因素的干扰，通过合理的结构设计、加工精度要求和装配要求，可以有效的消除多项误差，从而提高测量精度。

Description

一种高精度热膨胀系数测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及膨胀系数测量技术领域，特别地涉及一种高精度热膨胀系数测量装置及测量方法。

背景技术

在先进光刻设备中，比如深紫外光刻机(DUVL)和极紫外光刻机(EUVL)，为了获得极高的刻蚀精度，对一些关键零部件的热稳定性有极高的要求，要求这些零部件在一定温度范围内(5～35℃)能够最小化的受温度影响，尤其是其中的透镜、反射镜等，在曝光过程中，激光照射到镜片上不可避免的会产生热效应，则可能会因为热胀冷缩导致镜片面型发生变化而带来相差，这将直接影响照射到硅片表面的光斑质量，进而影响刻蚀精度。因此通常选用极低热膨胀系数的材料来制造这些零部件，比如康宁公司的超低热膨胀ULE系列玻璃、OHARA公司的CLEARCERAM玻璃和肖特的ZERODUR微晶玻璃。对于极低热膨胀系数材料的研制离不开高精度的热膨胀系数测量方法的开发。激光干涉仪法测量精度非常高，适合用于极低热膨胀系数的测量。由于激光干涉仪测量原理与激光的波长有关，波长越稳定其测量误差越小，而波长与光通过介质的折射率有关。空气的折射率受温度、气压、湿度、气流扰动等因素的影响，因此为了消除这些影响因素，通常将测量过程放在真空环境中。一般认为当气压达到10^-3Pa量级时，气体的气流扰动、对流热交换等可以忽略。光刻机中的镜片等零部件的工作温度范围大约在20℃到50℃之间，因此对其材料的热膨胀系数的测量范围也只需要覆盖这个温度范围。在热膨胀系数测量装置中，对待测样品进行温度控制的恒温器是其核心零部件之一。对恒温器有两点要求，第一、恒温区的范围能够保证待测样品各个位置的温度是均匀的；第二、非常高的温度控制精度。

常见的激光干涉法是固定待测样品一端，用一个干涉仪测量待测样品另一端的位移，该方法的固定端受影响因素多，精度有限。同时，常见方案均采用电加热的方式来改变待测样品的温度，电加热方法对于较高温度范围非常适用，但对于室温附近的温度控制比较难实现，因为稳定温度需要加热和冷却的平衡，在室温附近并且在真空中，由于被动的自然散热效率很低，在没有主动散热的情况下，很难达到热平衡。

如果能克服上述这些干扰因素，是本领域技术人员需要努力的方向。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种高精度热膨胀系数测量装置。

为了实现上述目的本发明提出了如下技术方案：

一种高精度热膨胀系数测量装置，包括真空腔、恒温器、距离采集机构及总长测量组件；恒温器设置在所述真空腔内，恒温器用于放置待测样品；

距离采集机构包括两个距离采集器，两个所述距离采集器滑动设置在所述真空腔内，两个所述距离采集器之间的间距可调节，两个所述距离采集器分别位于所述恒温器外部两侧；总长测量组件用于测量两个所述距离采集器之间距离。

在一个实施方式中，两个所述距离采集器分别为设置在所述恒温器两侧的第一测距组件和第二测距组件。

在一个实施方式中，所述恒温器、所述第一测距组件和所述第二测距组件均设置在同一底座上，所述底座位于所述真空腔内，所述底座的材质为低热膨胀系数的材料，为了最大限度避免系统误差，例如殷钢、微晶玻璃等，所底座上设置有用于支撑恒温器的安装支座。

在一个实施方式中，所述第一测距组件包括第一安装支架及第一干涉仪；

第一干涉仪设置在所述第一安装支架上，且用于测量其到待测样品一端的距离；

所述第二测距组件包括第二安装支架及第二干涉仪：

第二干涉仪设置在所述第二安装支架上，且用于测量其到待测样品另一端的距离；

其中，所述第一安装支架和所述第二安装支架均滑动设置在所述底座上且二者分别位于所述恒温器外部两侧。

在一个实施方式中，所述总长测量组件包括第三干涉仪及反射镜；第三干涉仪安装在所述第一安装支架或所述第二安装支架的对应侧，且其光轴位于所述待测样品上方，反射镜安装在所述第二安装支架或所述第一安装支架上，且与所述第三干涉仪配合。

在一个实施方式中，所述第一干涉仪的光轴、所述第二干涉仪的光轴、所述第三干涉仪的光轴和所述待测样品放置方向相互平行。保持四者之间的平行度，以减小余弦误差。

在一个实施方式中，所述恒温器两侧对称设置有供所述第一干涉仪的光轴、所述第二干涉仪的光轴、所述第三干涉仪的光轴穿过的测量通孔。

另外，两个通孔对称设置能够通过三个干涉仪的光轴是优先方式，两个通孔也可以不是对称设置，只要保证第三干涉仪的光轴从待测样品表面通过两个通孔，第一干涉仪的光轴通过其中一个测量通孔与待测样品一端接触，第二干涉仪的光轴通过另外一个测量通孔与待测样品另一端接触。

在一个实施方式中，所述第一安装支架或第二安装支架内部均设置有使得对应干涉仪处于恒温状态的水冷结构。以保证干涉仪处于恒温状态，以避免干涉仪受温度波动影响而出现热漂移。

在一个实施方式中，所述第一安装支架与所述恒温器之间、所述第二安装支架与所述恒温器之间均设置有热屏蔽结构。避免恒温器温度的变化影响对应干涉仪的测量值。

在一个实施方式中，所述恒温器为夹层的结构，所述恒温器内设有控温介质，所述恒温器上设置有与其内部连通的介质导入管和介质导出管，所述介质导入管和所述介质导出管均与位于所述真空腔外部的控温器相连。

具体来说，控温器中一定温度的水从介质导入管流入夹层，在恒温器内循环流动，使恒温器的内壁的温度均匀且稳定，然后通过恒温器的内壁的热辐射对待测样品进行温度控制。

本实施例采用水循环方式为待测样品变温，根据所需的热膨胀系数测量温度范围可以选择油、液氮、液氦、电阻加热、辐射加热等变温方式。

在一个实施方式中，所述待测样品通过托架放置在所述恒温器内，在所述待测样品表面设置有用于检测所述待测样品温度的温度传感器，所述温度传感器与控温器电性连接。

一种高精度热膨胀系数测量方法，使用上述高精度热膨胀系数测量装置，包括如下步骤：

S1、把所述待测样品放置在所述恒温器内部；

S2、设定测量温度为t(K)，测量该温度下各个距离参数：测量所述第三干涉仪到所述反射镜的距离L1、测量所述第一干涉仪到所述待测样品的一端面的距离L2，测量所述第二干涉仪到所述待测样品的右端面的距离L3，可以得到如下关系式：

L1+σ1＝L2+L+L3 (1)；

式中，L为待测样品的原始长度；σ1为系统误差，来源于设计公差、加工误差、安装误差，在测量过程中不会发生变化；

S3、当待测样品温度变化d_t(K)，待测样品长度变为L+dL，测量该温度下各个距离参数：测量所述第三干涉仪到反射镜的距离L1’、测量所述第一干涉仪到待测样品的一端面的距离L2’，测量所述第二干涉仪到待测样品的另一端面的距离L3’，关系式变成：

L1’+σ1＝L2’+(L+dL)+L3’ (2)；

式中，dL为所述待测样品长度变化量；理想情况下L1和L1’是相等的，但实际情况二者可能不相等；

S4、计算热膨胀系：

关系式(2)减去关系式(1)可得品温度变化d_t时，所述待测样品长度变化量：

dL＝(L1’-L1)-(L2’-L2)-(L3’-L3) (3)；

可得到所述待测样品材料的平均线热膨胀系数α，α的计算式如下：

α＝dL/(L*d_t)＝[(L1’-L1)-(L2’-L2)-(L3’-L3)]/(L*d_t) (4)。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种高精度热膨胀系数测量装置，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

1、本发明所公开的热膨胀系数测量装置采用多个激光干涉仪在真空环境中对待测样品的长度变化量进行测量，真空环境有效的避免了环境因素的干扰，通过合理的结构设计、加工精度要求和装配要求，可以有效的消除多项误差，从而提高测量精度。

2、所述底座的材质为低热膨胀系数的材料，为了最大限度避免系统误差，例如殷钢、微晶玻璃等。

3、所有的干涉仪和反射镜安装在恒温器外的安装支架上，避免恒温器温度的变化影响干涉仪的测量值，并且在必要时需要在安装支架和恒温器之间增加热屏蔽结构，以及在安装支架内部设计水冷结构，以保证干涉仪处于恒温状态，以避免干涉仪受温度波动影响而出现热漂移。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是一种高精度热膨胀系数测量方法的原理图；

图2是一种高精度热膨胀系数测量装置的结构图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

11、第三干涉仪；12、第一干涉仪；13、第一安装支架；14、第二安装支架；15、第二干涉仪；16、反射镜；17、待测样品；201、恒温器；202、托架；203、安装支座；204、底座；205、真空腔；206、控温介质；207、介质导入管；208、温度传感器；209、介质导出管；210、热屏蔽壳；211、控温器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的实施例提供了一种高精度热膨胀系数测量装置，包括真空腔205、设置在真空腔205内的用于放置待测样品17的恒温器201、设置在真空腔205内用于采集到待测样品17两端的距离的距离采集机构，距离采集机构位于恒温器201外侧，距离采集机构包括两个距离采集器，两个距离采集器滑动设置在真空腔205内，两个距离采集器之间的间距可调节，两个距离采集器分别位于所述恒温器外部两侧；总长测量组件用于测量两个距离采集器之间距离。

具体来说，真空腔205是一个真空腔室，它提供一个真空度可达10-3Pa量级的真空环境，并提供控温介质、电、信号的接口。

在一个实施例中，两个距离采集器分别为设置在恒温器201两侧的第一测距组件和第二测距组件。

在一个实施例中，恒温器201、第一测距组件和第二测距组件均设置在同一底座204上，底座204位于真空腔205内，底座204的材质为低热膨胀系数的材料，为了最大限度避免系统误差，例如殷钢、微晶玻璃等，所底座204上设置有用于支撑恒温器201的安装支座203。

在一个实施例中，第一测距组件包括第一安装支架13、设置在第一安装支架13上用于测量到待测样品17一端距离的第一干涉仪12；第二测距组件包括第二安装支架14、设置在第二安装支架14上用于测量到待测样品17另一端距离的第二干涉仪15；第一安装支架13和第二安装支架14均滑动设置底座204上，且二者分别位于恒温器201外部两侧。

在一个实施例中，总长测量组件包括安装在第一安装支架13上的第三干涉仪11、安装在第二安装支架14对应侧上的反射镜16；或者另外一种设置方式，总长测量组件包括安装在第二安装支架14上的第三干涉仪11、安装在第一安装支架13对应侧上的反射镜16；这两种方式中，反射镜16与第三干涉仪11配合用于测量二者之间的距离，第三干涉仪11的光轴位于待测样品17上方。

具体来说，本实施例采用的第一干涉仪12、第二干涉仪15和第三干涉仪11的三干涉仪膨胀系数量测量装置，另外，第一干涉仪12、第二干涉仪15和第三干涉仪11均可以设置为多个，通过均值来计算各自对应的距离，这种方式可以减小误差。

在一个实施例中，第一干涉仪12的光轴、第二干涉仪15的光轴、第三干涉仪11的光轴和待测样品17放置方向相互平行。保持四者之间的平行度，以减小余弦误差。

在一个实施例中，恒温器201两侧对称设置有供第一干涉仪12的光轴、第二干涉仪15的光轴、第三干涉仪11的光轴穿过的测量通孔。

另外，两个通孔对称设置能够通过三个干涉仪的光轴是优先方式，两个通孔也可以不是对称设置，只要保证第三干涉仪11的光轴从待测样品17表面通过两个通孔，第一干涉仪12的光轴通过其中一个测量通孔与待测样品17一端接触，第二干涉仪15的光轴的光轴通过另外一个测量通孔与待测样品17另一端接触。

在一个实施例中，第一安装支架13或第二安装支架14内部均设置有使得对应干涉仪处于恒温状态的水冷结构。以保证干涉仪处于恒温状态，以避免干涉仪受温度波动影响而出现热漂移。

具体来说，为便于安装水冷结构，第一安装支架13和第二安装支架14均为具有一定厚度的方形板，具体厚度的设置可以根据实际情况选择，第一安装支架13和第二安装支架14的水冷结构均为循环冷却腔，另外可以在底座204内设置储水箱，第一安装支架13或第二安装支架14的循环冷却腔底部均通过进水软管和出水软管与储水箱连通，为了实现与恒温器201内的温度相同的目的，把储水箱与恒温器201通过进出水管道连通。

由于第一安装支架13和第二安装支架14均滑动设置在底座204上，为了保移动过程中冷却结构的密封性能，故与各循环冷却腔连接的进水软管与出水软管长度具有一定的调节空间(一种优选方式为：进水软管与出水软管呈螺旋状态连接在循环冷却管腔与储水箱之间，便于第一安装支架13和第二安装支架14在移动过程中，对应的进水软管与出水软管的拉伸与压缩，从而在保证冷却功能的前提下实现第一安装支架13和第二安装支架14之间距离的调整)。

在一个实施例中，第一安装支架13与恒温器201之间、第二安装支架14与恒温器201之间均设置有热屏蔽结构。避免恒温器201温度的变化影响对应干涉仪的测量值。

在一个实施例中，恒温器201为夹层的结构，恒温器201内设有控温介质206，恒温器201上设置有与内部连通的介质导入管207和介质导出管209，介质导入管207和介质导出管209均与位于真空腔205外部的控温器211相连。

在一个实施例中，为了避免恒温器201的温度变化对底座204造成影响，在恒温器201外包裹热屏蔽壳210。

具体来说，控温器211中一定温度的水从介质导入管207流入夹层，在恒温器201内循环流动，使恒温器201的内壁的温度均匀且稳定，然后通过恒温器201的内壁的热辐射对待测样品17进行温度控制。控温介质206一般选择水，恒温器201内的水浴结构要合理，以保证待测样品所在空间范围的温度均匀性。

本实施例采用水循环方式为待测样品17变温，根据所需的热膨胀系数测量温度范围可以选择油、液氮、液氦、电阻加热、辐射加热等变温方式。

在一个实施例中，待测样品17通过托架202放置在恒温器201内，在待测样品17表面设置有用于检测待测样品17温度的温度传感器208，温度传感器208与控温器211电性连接。

如图1所示，本发明的实施例还提供一种高精度热膨胀系数测量方法，使用上述的高精度热膨胀系数测量装置，由于该装置由三个干涉仪，故本实施例提供一种三干涉仪测量热膨胀系数方法，包括如下步骤：

S1、把所述待测样品17放置在所述恒温器201内部；

S2、设定测量温度为t(K)，测量该温度下各个距离参数：测量所述第三干涉仪11到所述反射镜16的距离L1、测量所述第一干涉仪12到所述待测样品17的一端面的距离L2，测量所述第二干涉仪15到所述待测样品17的右端面的距离L3，可以得到如下关系式：

L1+σ1＝L2+L+L3 (1)；

式中，L为待测样品17的原始长度；σ1为系统误差，来源于设计公差、加工误差、安装误差，在测量过程中不会发生变化；

S3、当待测样品17温度变化d_t(K)，待测样品17长度变为L+dL，测量该温度下各个距离参数：测量所述第三干涉仪11到反射镜16的距离L1’、测量所述第一干涉仪12到待测样品17的一端面的距离L2’，测量所述第二干涉仪15到待测样品17的另一端面的距离L3’，关系式变成：

L1’+σ1＝L2’+(L+dL)+L3’ (2)；

式中，dL为所述待测样品17长度变化量；理想情况下L1和L1’是相等的，但实际情况二者可能不相等；

S4、计算热膨胀系：

关系式(2)减去关系式(1)可得品温度变化d_t时，所述待测样品长度变化量：

dL＝(L1’-L1)-(L2’-L2)-(L3’-L3) (3)；

可得到所述待测样品17材料的平均线热膨胀系数α，α的计算式如下：

α＝dL/(L*d_t)＝[(L1’-L1)-(L2’-L2)-(L3’-L3)]/(L*d_t) (4)。

测量装置及其方法的误差分析：

环境因素引起的误差：由于激光干涉仪测量原理与激光的波长有关，当波长越稳定时其测量误差越小，而波长与光通过介质的折射率有关。如果干涉仪在大气环境中工作，空气的折射率受温度、气压、湿度、气流扰动等因素的影响，因此干涉仪的测量误差也会增大。为了得到高精度的热膨胀系数，本实施例所公开的测量方法的测量过程在真空环境中完成。通常认为当气压达到10-3Pa量级时，气体的气流扰动、对流热交换等可以忽略。

系统误差：系统误差σ1是由于设计公差、加工误差、安装误差引入的，导致第三干涉仪得到的长度值与第一干涉仪的长度值与第二干涉仪的长度值以及待测样品长度之和不相等，系统误差被认为测量装置装配之后该误差值即不会改变，并且从测量原理上系统误差不会对测量结果产生影响，已被消除。

余弦误差：余弦误差来源于干涉仪光轴与待测样品轴线的不平行，假设夹角为θ，导致待测样品长度发生变化后测到的值与实际值之间有一个与cosθ有关的偏差。余弦误差是不可完全消除的，可以通过提高加工精度和装配精度来尽量减小。

死程误差(dead path error：死程误差的起因也来源于环境因素，是指在干涉仪标定长度之外的范围内波长受到环境因素的影响造成的误差。该项误差也已被消除。

阿贝误差：该装置通过调整第二干涉仪和第三干涉仪的位置，使其激光光轴与待测样品轴线尽可能接近，可以最大限度的消除阿贝误差。

激光干涉仪固有误差：通过选用测量精度极高的激光干涉仪可以尽量减小该项误差。

综上热膨胀系数测量装置及其方法采用多个激光干涉仪在真空环境中对待测样品的长度变化量进行测量，真空环境有效的避免了环境因素的干扰，通过合理的结构设计、加工精度要求和装配要求，可以有效的消除多项误差，从而提高测量精度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (12)

1.一种高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，包括：

真空腔；

恒温器，其设置在所述真空腔内，用于放置待测样品；

距离采集机构，其包括两个距离采集器，两个所述距离采集器滑动设置在所述真空腔内，两个所述距离采集器之间的间距可调节，两个所述距离采集器分别位于所述恒温器外部两侧；以及

总长测量组件，其用于测量两个所述距离采集器之间距离。

2.根据权利要求1所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，两个所述距离采集器为分别设置在所述恒温器两侧的第一测距组件和第二测距组件。

3.根据权利要求2所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述恒温器、所述第一测距组件和所述第二测距组件均设置在同一底座上，所述底座位于所述真空腔内。

4.根据权利要求3所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述第一测距组件包括：

第一安装支架，以及

第一干涉仪，其设置在所述第一安装支架上，且用于测量其到待测样品一端的距离；

所述第二测距组件包括：

第二安装支架，以及

第二干涉仪，其设置在所述第二安装支架上，且用于测量其到待测样品另一端的距离；

其中，所述第一安装支架和所述第二安装支架均滑动设置在所述底座上且二者分别位于所述恒温器外部两侧。

5.根据权利要求4所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述总长测量组件包括：

第三干涉仪，其安装在所述第一安装支架或所述第二安装支架上，且其光轴位于所述待测样品上方，以及

反射镜，其安装在所述第二安装支架或所述第一安装支架的对应侧，且与所述第三干涉仪配合。

6.根据权利要求5所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述第一干涉仪的光轴、所述第二干涉仪的光轴、所述第三干涉仪的光轴和所述待测样品放置方向相互平行。

7.根据权利要求5所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述恒温器两侧对称设置有供所述第一干涉仪的光轴、所述第二干涉仪的光轴、所述第三干涉仪的光轴穿过的测量通孔。

8.根据权利要求4或5所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述第一安装支架或所述第二安装支架内部均设置有使得对应干涉仪处于恒温状态的水冷结构。

9.根据权利要求4或5所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述第一安装支架与所述恒温器之间、所述第二安装支架与所述恒温器之间均设置有热屏蔽结构。

10.根据权利要求1-7任一权利要求所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述恒温器为夹层的结构，所述恒温器内设有控温介质，所述恒温器上设置有与其内部连通的介质导入管和介质导出管，所述介质导入管和所述介质导出管均与位于所述真空腔外部的控温器相连。

11.根据权利要求1-7任一权利要求所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，所述待测样品通过托架放置在所述恒温器内，在所述待测样品表面设置有用于检测所述待测样品温度的温度传感器，所述温度传感器与控温器电性连接。

12.一种高精度热膨胀系数测量方法，使用权利要求5所述的高精度热膨胀系数测量装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、把所述待测样品放置在所述恒温器内部；

S2、设定测量温度为t(K)，测量该温度下各个距离参数：测量所述第三干涉仪到所述反射镜的距离L1、测量所述第一干涉仪到所述待测样品的一端面的距离L2，测量所述第二干涉仪到所述待测样品的右端面的距离L3，可以得到如下关系式：

L1+σ1＝L2+L+L3 (1)；

式中，L为待测样品的原始长度；σ1为系统误差，来源于设计公差、加工误差、安装误差，在测量过程中不会发生变化；

S3、当待测样品温度变化d_t(K)，待测样品长度变为L+dL，测量该温度下各个距离参数：测量所述第三干涉仪到反射镜的距离L1’、测量所述第一干涉仪到待测样品的一端面的距离L2’，测量所述第二干涉仪到待测样品的右端面的距离L3’，关系式变成：

L1’+σ1＝L2’+(L+dL)+L3’ (2)；

式中，dL为所述待测样品长度变化量；

S4、计算热膨胀系：

关系式(2)减去关系式(1)可得品温度变化d_t时，所述待测样品长度变化量：

dL＝(L1’-L1)-(L2’-L2)-(L3’-L3) (3)；

可得到所述待测样品材料的平均线热膨胀系数α，α的计算式如下：

α＝dL/(L*d_t)＝[(L1’-L1)-(L2’-L2)-(L3’-L3)]/(L*d_t) (4)。