微电子掩模板的线宽、台阶高度、线间隔是国际计量局(BIPM)纳米计量工作组(WGDM7 DG)确定的五种基准样板国际比对关键量值中的三种,这几种掩模板参数的测量和标定是当前精密计量领域必须完成的课题。本课题依据国内外微电子工业的发展趋势,与中国计量科学研究院联合建立了一台掩模板标准测量系统。整个系统分为测头部分和纳米工作台部分,本文着重于掩模板测量的纳米定位扫描工作台的相关研究。垂直入射光束的两个正交偏振分量被残余应变介质膜反射后具有一定的相对相位延迟,这种现象称为双反射效应。利用双反射效应制做腔镜并在横向磁场作用下可使He-Ne 激光腔输出双频激光,称为双反射膜双频激光器。本文提出并建立了双反射膜双频激光器物理模型,该模型不仅考虑了激光腔镜的双反射膜作用、横向磁场的作用,同时还考虑了激光腔内模式耦合问题。据此模型对双反射膜双频激光器输出光的偏振特性进行的分析与实验结果吻合。这种激光器不需要四分之一波片即可输出理想偏振的双频激光,避免了一个漂移因素,适合用来制作掩模板测量工作台定位的平面镜干涉仪。设计并研制成功了150×150×6mm3范围可免阿贝误差的纳米工作台,以大行程柔性铰链结构和磁力卸载装置,解决了商用微动工作台承载能力不足的技术问题。采用双反射膜双频激光器为光源的可调高度平面镜激光干涉仪实现了粗动高速运动、微动精细扫描的宽容限接力。由于平面镜干涉仪高度可调,在±3mm 范围内可根据掩模板样品厚度的不同,灵活调整干涉仪测量光束的中心线,使之与被测掩模板样品的上表面重合,从而使测量系统的阿贝臂为零,减少甚至能够完全避免阿贝误差对掩模板测量的影响。工作台微动扫描范围100×100μm2,微动分辨率1nm,点对点定位不确定度优于20nm,满足掩模板测量的需要。实现了台阶测量和线宽测量中共焦光强的锁相放大采样、PZT 驱动、平面镜干涉仪采样自动计数由同一工控机统一控制,并编写了用于掩模板测量系统(含纳米定位系统)的多接口软件,实现了掩模板测量系统从测头部分到纳米定位工作台的整机运行。基于共焦光强测量方法, 用整机调试完毕的掩模板测量系统对HEIDENHAIN 公司生产的镀铬刻线进行扫描测量,理论刻线单边定位不确定度为17.4nm,线间距不确定度约为24.6nm。实验测量结果表明:刻线单边定位重复测量标准偏差为24nm; 1mm 线间距重复测量标准偏差约为42nm;40mm 线间距重复测量标准偏差约为48nm。