CN102261985B

CN102261985B - 光学系统波像差标定装置及该装置测试误差的标定方法

Info

Publication number: CN102261985B
Application number: CN 201110157897
Authority: CN
Inventors: 金春水; 王丽萍; 张宇
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: CN102261985A

Abstract

光学系统波像差标定装置及该装置测试误差的标定方法，涉及光学测量技术领域，它解决现有光学系统在检测光学元件之前无法评价其测试误差是否满足检测精度要求以及选择合适的移相算法对采集的数据进行处理的问题，本发明所述的分光系统出射两束共光路的正交线偏振光经偏振分光棱镜出射后经过耦合透镜耦合到参考光纤中，所述参考光纤衍射的两个球面波发生干涉，获得干涉图；采用光电探测器进行采集后传送至计算机，采用压电陶瓷进行移相，所述光电探测器采集多次干涉图；采用十三步移相算法进行数据处理分析，获得测试误差，本发明实现对光学系统波像差的超高精度检测。

Description

光学系统波像差标定装置及该装置测试误差的标定方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种光学系统波像差的标定装置及该装置测试误差的标定方法。

背景技术

极紫外光刻技术是建立在传统光学光刻基础上的下一代光刻技术,它最大限度地继承了目前光学光刻的发展成果。极紫外光刻的工作波长为13～14nm的极紫外波段,在光源技术、光学系统、极紫外多层膜技术、反射式掩膜技术、超高精度控制技术、抗蚀剂技术、光学元件加工/检测技术等方面都与传统的光学光刻有重大的区别。作为光刻机核心单元系统之一的投影光刻物镜为了实现光刻分辨率及临界尺寸控制的要求，光学系统的RMS波像差应小于λ/20。如此高精度的光学系统就需要更高精度的检测装置，目前较先进的美国Zygo和Wyko公司的相关干涉仪产品一般都采用标准球面镜头来产生参考球面波，但是由于光学加工和装配等影响，导致参考球面波的像差都大于λ/50，无法进一步减小，这就直接导致了当前干涉仪的检测精度只能达到λ/20-λ/50(λ=632.8nm),远远不能满足极紫外光刻投影物镜系统波像差的检测要求。

因此，寻找超高精度的参考球面波就成为提高检测装置测量精度的关键问题所在。

Raymond N. Smart和J. Strong于1972年发明了点衍射干涉仪，它借助小孔衍射产生的近似理想的球面波作为参考波消除了常规干涉仪参考波面误差的影响，大大的提高了检测精度。随着光学检测要求的不断提高，点衍射干涉仪正日益显现出其优点，并广泛的应用于高精度光学检测中，为极紫外光刻投影物镜系统波像差的高精度检测提供了可能性。

点衍射干涉仪虽然解决了参考球面波的问题，但是点衍射干涉仪中存在的一些误差源如光源的不稳定误差、光电探测器的非线性误差、光电探测器的量化误差、环境误差等仍旧限制着干涉仪的检测精度。

1974年Bruning等人提出了移相干涉术，他把通讯理论中的同步相位探测技术引入到光学干涉测量技术中，是计算机辅助干涉测量技术中的一个重大的发展。其原理是在干涉仪的两相干光的相位差之间引入有序的位移，当参考光程（或相位）变化时干涉条纹的位置也作相应的移动。在此过程中，用光电探测器对干涉图进行采样，经图像采集卡数字化得到计算机能够处理的数字信号，最后由计算机按照一定的数学模型根据光强的变化求得相位分布。移相干涉术的优点在于计算简单、速度快、精度高，关键技术在于通过计算机分析处理测量的数据，从而获得所测的相位值。

为了实现光学检测向超高精度发展，点衍射干涉仪和移相干涉术的有机结合无疑是一个必然趋势。

一种移相点衍射干涉仪是由物面小孔板、透射光栅、像面小孔板以及光电探测器组成，由物面小孔板上的小孔衍射产生理想的球面波经被测光学元件或系统会聚后，经过透射光栅发生衍射，并在像面小孔板上形成若干衍射级，使+1级（或0级）衍射光通过像面小孔板上的一个小孔衍射产生理想球面波作为参考光，0级（或+1级）衍射光经过像面小孔板上一个窗作为测试光，其他衍射级次被像面小孔板的不透明部分遮挡。测试光和参考光在光电探测器上形成干涉条纹，通过横向移动透射光栅实现了移相，采用移相算法对条纹进行分析，提高了测量精度。

另一种移相点衍射干涉仪将透射光栅置于物面小孔板之前，物面小孔板含有小孔和一个较大的窗，0级衍射光经过小孔产生理想的球面波，+1级衍射光直接通过窗。两束光经被检光学元件或系统后，被聚焦到像面小孔板上，这里0级衍射光经过窗作为测试光，+1级衍射光经过小孔衍射作为参考光，这种移相点衍射干涉仪两束光都只经过一次小孔滤波，相对前一种点衍射干涉仪来说提高了参考光的光强，同时提高了条纹对比度。

2005年Gary E. Sommargren 在专利US6909,510 B2“Application of the phase shifting diffraction interferometer for measuring convex mirrors and negative lenses”采用两根柔性纤芯的端面代替小孔构成了双光纤点衍射干涉仪，测试光纤出射的光通过被检光学元件照射到参考光纤端面上，反射后和参考光纤出射的衍射波干涉，经成像透镜在光电探测器上形成干涉条纹，检测装置在测试光路中引入了移相，最终双光纤相移点衍射干涉仪实现了对凸透镜和负透镜的高精度检测。

然而，上述现有的波像差检测装置无法在检测光学元件或系统之前无法评价其测试误差以及移相算法是否满足检测精度要求，这就有可能造成检测结果的不精确，从而给实现超高精度的检测带来了困难。

发明内容

本发明为解决现有光学系统在检测光学元件之前无法评价其测试误差是否满足检测精度要求以及选择合适的移相算法对采集的数据进行处理的问题，提供一种光学系统波像差标定装置及该装置测试误差的标定方法。

光学系统波像差标定装置，该装置包括分光系统、耦合透镜、参考光纤、电动偏振控制器、光电探测器、计算机；所述分光系统包括激光器、中性密度滤光片、二分之一波片、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜；所述激光器出射的光束经中性密度滤光片、二分之一波片和偏振分光棱镜后，分成两束正交的线偏振光，第一束线偏振光经过偏振分光棱镜的水平方向的第一四分之一波片和第一角锥棱镜后，经第一平面反射镜反射至偏振分光棱镜；第二束线偏振光经过偏振分光棱镜垂直方向的第二四分之一波片和第二角锥棱镜后，经第二平面反射镜反射至偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜出射的光束经耦合透镜耦合到参考光纤中，电动偏振控制器控制光束的偏振态，光电探测器接收参考光纤端面反射光束的干涉图被计算机接收。

光学系统波像差标定装置测试误差的标定方法，该方法由以下步骤完成：

步骤一、分光系统出射两束共光路的正交线偏振光经偏振分光棱镜出射后经过耦合透镜耦合到参考光纤中，所述参考光纤衍射的两个球面波发生干涉，获得干涉图；

步骤二、将步骤一获得的干涉图采用光电探测器进行采集后传送至计算机，采用压电陶瓷进行移相，所述光电探测器采集多次干涉图；采用十三步移相算法进行数据处理分析，获得测试误差；

所述十三步移相算法为：

φ = \arctan (\frac{6 (I_{2} - I_{12}) + 32 (I_{10} - I_{4}) + 58 (I_{6} - I_{8})}{- (I_{1} + I_{13}) + 17 (I_{3} + I_{11}) - 47 (I_{5} + I_{9}) + {62 I}_{7}})

，所述I_i(i=1…13)分别为十三幅移相干涉图的光强。

本发明的工作原理：本发明为判断光学系统波像差的测试组件是否满足精度需求，对测试误差进行标定，通过分析同一光纤直接衍射出来的两个球面波的干涉图，标定出光学系统波像差检测装置中由探测器误差引起的测试误差，并判断其是否满足检测精度要求，最终选出满足检测精度要求的探测器；采用不同移相算法分析多幅干涉图，从而选择对测试误差抑制能力较强的十三步算法对干涉图数据进行处理。通过选择合适的测试组件及移相算法最终能够实现对光学系统波像差的超高精度检测。

本发明的有益效果：本发明利用计算机处理标定出由于探测器误差引入的测量误差，从而可以选出满足检测精度要求的测试组件。采集多幅干涉图利用十三步移相算法进行数据处理，最终能够实现对光学系统波像差的超高精度检测。

附图说明

图1为本发明所述的光学系统波像差标定装置的示意图；

图中：1、激光器，2、中性密度滤光片，3、二分之一波片，4、偏振分光棱镜，5、第一四分之一波片，6、第二四分之一波片，7、第一角锥棱镜，8、第二角锥棱镜，9、压电陶瓷，10、第一平面反射镜，11、第二平面反射镜，12、耦合透镜，13、参考光纤，14、电动偏振控制器，15、光电探测器，16、计算机。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，光学系统波像差标定装置，该装置包括分光系统、耦合透镜12、参考光纤13、电动偏振控制器14、光电探测器15、计算机16；其特征是，所述分光系统包括激光器1、中性密度滤光片2、二分之一波片3、偏振分光棱镜4、第一四分之一波片5、第二四分之一波片6、第一角锥棱镜7、第二角锥棱镜8、第一平面反射镜10和第二平面反射镜11；所述激光器1出射的光束经中性密度滤光片2、二分之一波片3和偏振分光棱镜4后，分成两束正交的线偏振光，第一束线偏振光经过偏振分光棱镜4的水平方向的第一四分之一波片5和第一角锥棱镜7后，经第一平面反射镜10反射至偏振分光棱镜4；第二光线偏振光经过偏振分光棱镜4垂直方向的第二四分之一波片6和第二角锥棱镜8后，经第二平面反射镜11反射至偏振分光棱镜4，所述偏振分光棱镜4出射的光束经耦合透镜12耦合到参考光纤13中，电动偏振控制器14控制光束的偏振态，光电探测器15接收参考光纤13端面反射光束的干涉图被计算机16接收。

本实施方式所述的第一束线偏振光经过偏振分光棱镜4的水平方向的第一四分之一波片5和第一角锥棱镜7后，第一束线偏振光的偏振方向改变90度。

本实施方式所述的第二束线偏振光经过偏振分光棱镜4垂直方向的第二四分之一波片6和第二角锥棱镜8后，第二束线偏振光的偏振方向改变90度。

本实施方式所述的分光系统还包括压电陶瓷9，采用压电陶瓷9移动第二角锥棱镜8实现步长为π/2的移相。

具体实施方式二、光学系统波像差标定装置测试误差的标定方法，该方法由以下步骤完成：

步骤一、分光系统出射两束共光路的正交线偏振光经偏振分光棱镜4出射后经过耦合透镜12耦合到参考光纤中，所述参考光纤13衍射的两个球面波发生干涉，获得干涉图；

步骤二、将步骤一获得的干涉图采用光电探测器15进行采集后传送至计算机16，采用压电陶瓷9进行移相，所述光电探测器15采集多次干涉图；采用十三步移相算法进行数据处理分析，获得测试误差；

所述十三步移相算法为：

φ = \arctan (\frac{6 (I_{2} - I_{12}) + 32 (I_{10} - I_{4}) + 58 (I_{6} - I_{8})}{- (I_{1} + I_{13}) + 17 (I_{3} + I_{11}) - 47 (I_{5} + I_{9}) + {62 I}_{7}})

，所述I_i(i=1…13)分别为十三幅移相干涉图的光强。

本实施方式所述测试误差为探测器误差引起的测试误差。

本实施方式所述的电动偏振控制器14控制两束共光路光束的偏振态相同。

本实施方式所述的两束共光路的正交线偏振光从偏振分光棱镜4出射后共同经过耦合透镜12耦合到参考光纤13中，采用加在参考光纤13上的电动偏振控制器14对两束光的偏振态进行控制使其一致，从参考光纤13衍射出来的两个球面波发生干涉，利用光电探测器15采集干涉图，送入计算机16按照移相算法进行数据处理和分析，得到由探测器误差引起的测试误差，如果测试误差满足光学系统波像差检测精度的要求，那么可以正常的进行检测，如果不满足要求，那么可以重新选择更优性能的探测器，重复测试直到最终选出满足检测精度要求的测试组件；

在上述过程中，可以通过旋转二分之一波片3和调节电动偏振控制器14来调整两束光的相对强度以达到最佳条纹对比度，引入了对偏摆误差不敏感的第一角锥棱镜7和第二角锥棱镜8，通过移动第一角锥棱镜7来调整两束光的光程差，通过压电陶瓷9移动第二角锥棱镜8来实现步长为π/2的移相，通过引入第二平面反射镜11使得测量结果对第二角锥棱镜8在移相过程中的横移不敏感，通过引入第一平面反射镜10来实现两束光的共光路。由于没有被检元件，因而测量结果仅仅是由探测器误差引入了测试误差，利用此过程评价探测器误差引起的测试误差是否符合精度要求，从而确定合格的测试组件。最终实现对光学系统波像差的超高精度检测。

Claims

1.光学系统波像差标定装置，该装置包括分光系统、耦合透镜（12）、参考光纤（13）、电动偏振控制器（14）、光电探测器（15）、计算机（16）；其特征是，所述分光系统包括激光器（1）、中性密度滤光片（2）、二分之一波片（3）、偏振分光棱镜（4）、第一四分之一波片（5）、第二四分之一波片（6）、第一角锥棱镜（7）、第二角锥棱镜（8）、第一平面反射镜（10）和第二平面反射镜（11）；所述激光器（1）出射的光束经中性密度滤光片（2）、二分之一波片（3）和偏振分光棱镜（4）后，分成两束正交的线偏振光，第一束线偏振光经过偏振分光棱镜（4）的水平方向的第一四分之一波片（5）和第一角锥棱镜（7）后，经第一平面反射镜（10）反射至偏振分光棱镜（4）；第二束线偏振光经过偏振分光棱镜（4）垂直方向的第二四分之一波片（6）和第二角锥棱镜（8）后，经第二平面反射镜（11）反射至偏振分光棱镜（4），所述偏振分光棱镜（4）出射的光束经耦合透镜（12）耦合到参考光纤（13）中，电动偏振控制器（14）控制光束的偏振态，光电探测器（15）接收参考光纤（13）端面反射光束的干涉图被计算机（16）接收。

2.根据权利要求1所述的光学系统波像差标定装置，其特征在于，所述的第一束线偏振光经过偏振分光棱镜（4）的水平方向的第一四分之一波片（5）和第一角锥棱镜（7）后，其偏振方向改变90度。

3.根据权利要求1所述的光学系统波像差标定装置，其特征在于，所述的第二束线偏振光经过第一偏振分光棱镜（4）垂直方向的第二四分之一波片（6）和第二角锥棱镜（8）后，其偏振方向改变90度。

4.根据权利要求1所述的光学系统波像差标定装置，其特征在于，所述分光系统还包括压电陶瓷（9），采用压电陶瓷（9）移动第二角锥棱镜（8）实现步长为π/2的移相。

5.一种根据权利要求1所述光学系统波像差标定装置的测试误差标定方法，其特征是，该方法由以下步骤完成：

步骤一、分光系统出射两束共光路的正交线偏振光经偏振分光棱镜（4）出射后经过耦合透镜（12）耦合到参考光纤（13）中，所述参考光纤（13）衍射的两个球面波发生干涉，获得干涉图；

步骤二、将步骤一获得的干涉图采用光电探测器（15）进行采集后传送至计算机（16），采用压电陶瓷（9）进行移相，所述光电探测器（15）采集多次干涉图；采用十三步移相算法进行数据处理分析，获得测试误差；

所述十三步移相算法为：

φ = \arctan (\frac{6 (I_{2} - I_{12}) + 32 (I_{0} - I_{4}) + 58 (I_{6} - I_{8})}{- (I_{1} + I_{13}) + 17 (I_{3} + I_{11}) - 47 (I_{5} + I_{9}) + {62 I}_{7}})

，所述I_i(i=1…13)分别为十三幅移相干涉图的光强。

6.根据权利要求5所述的光学系统波像差标定装置测试误差的标定方法，其特征在于，所述测试误差为探测器误差引起的测试误差。