CN103398655A - 一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置及其方法属于基于相移点衍射干涉仪的光学元件面形检测装置及方法领域，该装置包括可调谐激光光源模块、点衍射干涉模块和控制系统，可调谐激光光源模块包括可调谐激光器、第一分光镜、第二分光镜、波长计和功率计。点衍射干涉模块包括光束调整镜组、针孔板、干涉仪成像镜组和CCD相机。控制系统包括可调谐激光器控制模块、CCD相机采集控制模块和主控计算机。该装置利用波长调谐的激光器实现移相并完成相移点衍射干涉测量，无需采用压电陶瓷相移器（PZT）或利用压电陶瓷移动角锥反射镜等机械移动部件进行移相，克服了机械移相装置制作难度大、成本高以及因机械移相装置自重引入应力形变误差的技术问题。

Description

一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置及其方法

技术领域

本发明属于基于相移点衍射干涉仪的光学元件面形检测装置及方法领域，具体涉及一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置及其方法。

背景技术

投影光刻物镜为了实现要求的分辨率及临界尺寸，需要光学系统波像差达到衍射极限.极紫外光刻的工作在波长为13～14nm的极紫外波段,这就要求光学系统的波像差要小于1nmRMS，而对单个反射镜镜面的面形偏差更是要到0.25nmRMS。要实现如此高精度的光学加工，首先要实现高精度的光学检测技术。常规干涉检测技术诸如菲索干涉仪、泰曼干涉仪受制于参考面精度的限制，难以达到如此高精度的光学系统波像差和光学元件面形检测。

点衍射干涉仪利用针孔衍射产生近似理想的球面波作为参考波，技术上消除了常规干涉仪中参考面带来的误差，提高了检测精度，可以用于极紫外投影光刻物镜中光学元件面形检测。检测光学元件面形时，由针孔衍射而出的近理想球面波分成两部分，一部分作为测试光经被检球面反射后，附带了被检球面的面形信息，在针孔板反射后通过中继光学系统打到光电探测器上；另一部分作为参考光经中继光学系统后直接打到光电探测器上。两路光干涉得到干涉图，对采集到的干涉图做处理后就能够得到被检球面的面形信息。在干涉测量技术中，精度最高的应属相移干涉术，将相移干涉术与点衍射干涉仪相结合的产物就是相移点衍射干涉仪。

文章《Development of the point diffraction interferometer for extreme ultravioletlithography:Design,fabrication,and evaluation》J.Vac.Sci.Technol.B20,2449(2002);描述了一种通过压电陶瓷相移器（PZT）移动被检镜实现相移干涉测量的点衍射干涉仪。这种相移方法有两个缺点，第一是当被检镜面形尺寸较大时，需要用载重大的相移器，而大载重相移器的制作技术难度大，成本高；同时在相移过程中会产生机械应力的变化，引入误差，从而影响测量结果。第二个是由于被检镜是球面或非球面光学元件，而相移方向是沿着被检镜光轴方向，导致被检镜边缘与中心在法线方向相移量不等。

文章《Visible lightpoint-diffraction interferometer for testing of EUVL optics》Proc.of SPIE Vol.6151,61510E,(2006)描述了一采用短相干激光器中利用压电陶瓷移动角锥反射镜实现相移测量的点衍射干涉仪，这种方法能够解决移动被检镜进行相移的缺点。但是在这种形式的干涉仪中，必须将参考光和测试光分开，形成双臂结构，这样就会导致参考光和测试光之间的非共光路，增大对环境的敏感度。

发明内容

为了解决现有利用压电陶瓷相移器（PZT）实现相移干涉测量的点衍射干涉仪对球面或非球面的被检镜测量时，其沿着被检镜光轴方向的相移的方式会导致被检镜边缘与其中心在法线方向相移量不等，以及当被检光学元件面形尺寸较大时，所用大载重相移器制作难度大，并会在相移时因自重应力而使测量结果引入误差。而采用短相干激光器中利用压电陶瓷移动角锥反射镜实现相移测量的点衍射干涉仪则必须将参考光和测试光分开并形成双臂结构，从而导致参考光和测试光之间的非共光路，增大对环境的敏感度的技术问题，本发明提供一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置及方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置包括可调谐激光光源模块、点衍射干涉模块和控制系统，可调谐激光光源模块包括可调谐激光器、第一分光镜、第二分光镜、波长计和功率计；点衍射干涉模块包括光束调整镜组、针孔板、干涉仪成像镜组和CCD相机；控制系统包括可调谐激光器控制模块、CCD相机采集控制模块和主控计算机；

所述可调谐激光器的出射光入射第一分光镜并被分为第一透射光和第一反射光，第一透射光入射第二分光镜并被分为第二透射光和第二反射光，第二透射光经过光束调整镜组聚焦后入射到针孔板的针孔上并发生小孔衍射，形成近理想球面波衍射光，所述衍射光的一部分作为参考光直接入射干涉仪成像镜组；所述衍射光的另一部分作为检测光，检测光首先入射到被检光学元件上并发生反射，所述反射检测光再入射到针孔板的背面并再次发生反射，经针孔板反射后的检测光再入射干涉仪成像镜组；经过干涉仪成像镜组合束后的出射参考光和检测光共同照射到CCD相机的像面上并形成干涉图像，所述干涉图像被CCD相机成像；

所述第一反射光入射波长计，波长计与可调谐激光器控制模块连接，可调谐激光器控制模块通过总线与主控计算机连接；可调谐激光器控制模块接收波长计测得的波长检测信号并将该波长检测信号传送给主控计算机；

所述第二反射光入射功率计，功率计通过总线与主控计算机连接，功率计将其测得的功率检测信号通过总线传送给主控计算机；

所述可调谐激光器控制模块还与可调谐激光器连接，主控计算机通过可调谐激光器控制模块向可调谐激光器发出激光波长调谐命令，可调谐激光器按照其收到的激光波长调谐命令发出指定波长的激光；可调谐激光器控制模块还向主控计算机机发送波长调谐完成反馈信号；

所述CCD相机与CCD相机采集控制模块连接，CCD相机采集控制模块通过总线与主控计算机连接；CCD相机将其采集到的干涉图像信号通过CCD相机采集控制模块发送给主控计算机，并按照主控计算机发出的图像信号采集命令采集图像。

所述针孔板上的针孔是亚微米针孔，针孔板的背面为平面镜；所述被检光学元件为凹面镜，其与所述干涉仪成像镜组均位于针孔板后方并以针孔板的针孔为焦点。

所述被检光学元件与干涉仪成像镜组以针孔板针孔的法线为对称轴左右对称设置，所述被检光学元件的光轴与针孔板针孔法线的夹角度数由被检光学元件的口径与曲率半径R的比值确定，且该夹角度数大于被检光学元件边缘与球心连线所成的角。

所述光束调整镜组由同一光轴上的三块透镜共同组成，其第一块透镜和第二块透镜共同实现对激光光束的扩束准直，其第三块透镜对准直后的激光光束进行聚焦。

一种波长调谐相移点衍射干涉测量方法包括如下步骤：

步骤1：对波长调谐相移点衍射干涉测量装置初始化，其具体包括如下子步骤：

步骤1.1：设定波长调谐相移点衍射干涉测量时的移相步数N、移相角度

和干涉腔的长度h，所述干涉腔的长度h为被检光学元件曲率半径R的两倍；

步骤1.2：启动本发明所述波长调谐相移点衍射干涉测量装置，由主控计算机读取并记录波长计测得的当前激光波长检测信号λ₁、功率计测得的当前激光功率检测信号P₁以及CCD相机采集的第一幅干涉图像I₁；

步骤1.3：波长求解公式：

式（1）中，i＝2,3…N；

依据式（1），由主控计算机根据步骤1.1设定的移相步数N、移相角度和干涉腔的长度h依次计算移相到第j(j=1,2,3…N)步时需要的各个激光波长数值组λ_i,；(i＝2,3…N)

步骤2：采用逐步调谐激光实现波长移相的方法完成相移点衍射干涉图集的采集，其具体包括如下子步骤：

步骤2.1：主控计算机通过可调谐激光器控制模块向可调谐激光器发出激光波长调谐命令，使可调谐激光器发出激光波长调谐至λ_i(i=2,3…N)，所述λ_i依次经由步骤1.3所获得的激光波长数值组确定；当可调谐激光器每完成一次波长调谐后，其均通过可调谐激光器控制模块向主控计算机发送波长调谐完成反馈信号；主控计算机每次收到所述波长调谐完成反馈信号后，都通过CCD相机采集控制模块向CCD相机发出图像信号采集命令；CCD相机按照图像信号采集命令依次采集第j(j=1,2,3…N)幅干涉图像I_i(i=2,3…N)并将其每次所采集到的干涉图像信号通过CCD相机采集控制模块发送给主控计算机；主控计算机读取并记录波长计每次测得的当前激光波长检测信号λ_i、功率计每次测得的当前激光波长检测信号P_i(i=2,3…N)以及CCD相机每次采集的第j幅干涉图像I_i(i=2,3…N)，即：获得了相移点衍射干涉图集；

步骤2.2：主控计算机令j=i+1并重复步骤2.1的测量过程，直至j=i+1达到步骤1.1设定的移相步数N时，检测结束；

步骤3：对相移点衍射干涉图集进行亮度修正：

由主控计算机调取步骤2.1存储的功率计测得的当前激光波长检测信号P_i,(i=1,2,3...N)集合及对应的相移点衍射干涉图集I_i,(i=1,2,3...N)，代入下式：

${I_i}^{\′}=\frac{I_i}{P_i}\·P_1---\left(2\right)$

所述I_i',(i=1,2,3...N)即为亮度修正后的相移点衍射干涉图集；

步骤4：对步骤3所述修正后的相移点衍射干涉图集中的N幅干涉图进行移相位算法处理，则可获包含被检光学元件面形信息的数据，进而完成波长调谐相移点衍射干涉测量的全过程。

本发明的有益效果是：该相移点衍射干涉测量装置利用波长调谐的激光器实现移相，进而完成相移点衍射干涉测量，无需采用压电陶瓷相移器（PZT）或利用压电陶瓷移动角锥反射镜等机械移动部件进行移相，因此很好地克服了机械移相装置制作难度大、成本高的问题，并是测量结果避免了因机械移相器自重引入应力形变误差。

附图说明

图1是本发明一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置的系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置包括可调谐激光光源模块100、点衍射干涉模块200和控制系统300。可调谐激光光源模块100包括：可调谐激光器101，用于将可调谐激光器101出射的激光分束至波长计104的第一分光镜102，用于探测可调谐激光器101出射激光中心波长的波长计104，用于探测激光器出射激光能量的功率计105和用于将可调谐激光器101出射的激光分束至功率计105的第二分光镜103。点衍射干涉模块200包括针孔板202、用于将激光束聚焦到针孔板亚微米针孔上的光束调整镜组201、用于对由被检光学元件反射回来的检测光进行成像的干涉仪成像镜组204和CCD相机205。控制系统300包括可调谐激光器控制模块301、CCD相机采集控制模块302和主控计算机303。

可调谐激光器101、第一分光镜102、第二分光镜103、光束调整镜组201及针孔板202位于同一光轴线上依次排列。凹面镜被检光学元件203放置时使其光轴与针孔板202的法线成一定夹角且凹面镜面形的球心与小孔重合。干涉仪成像镜组204放置时使其光轴与被检光学元件203的光轴关于针孔板202的法线对称。CCD相机205位于被检光学元件203经干涉仪成像镜组204所成像的像面上。波长计104与可调谐激光器控制模块301相连，其光轴位于第一分光镜102的反射光的光路上。功率计105与主控计算机303连接，其光轴放置与第二分光镜103的反射光的光路上。可调谐激光器控制模块301分别与可调谐激光器101、波长计104及主控计算机303相连接。CCD相机采集控制模块302分别与CCD相机205和主控计算机303相连。主控计算机303分别通过总线与可调谐激光器控制模块301、CCD相机采集控制模块302及功率计105相连接。

可调谐激光器101出射的激光的一部分经过第一分光镜102反射至波长计104用于激光中心波长的测量，可调谐激光器101出射的激光的另一部分直接透射至第二分光镜103。第二分光镜103的入射激光一部分经过第二分光镜103反射至功率计105用于激光功率的监测，第二分光镜103的入射激光的另一部分透射至光束调整镜组201。透射至光束调整镜组201的光束经过整形聚焦后照射到位于针孔板202的针孔上并发生衍射。由针孔板202产生的衍射光，其一部分作为参考光直接经过干涉仪成像镜组204透射至CCD相机205，衍射光的另一部分作为测试光照射到被检光学元件203上，再依次经被检光学元件203反射、针孔板202反射和干涉仪成像镜组204透射至CCD相机205，并与前述参考光干涉。可调谐激光器101、可调谐激光器控制模块301和波长计104共同构成一个能进行精确波长调节的闭环反馈调节系统。可调谐激光器控制模块301与主控计算机303通过总线进行通讯，可调谐激光器控制模块301接收并执行主控计算机303发出的波长调谐命令并将调谐完成信号反馈给主控计算机303。主控计算机303能够采集功率计105探测到得功率信息并记录。CCD相机采集控制模块302与主控计算机303通过总线通讯，CCD相机采集控制模块302接收并执行主控计算机303发出的图像采集命令并将采集到得图像传输回主控计算机303。

本发明的波长调谐相移点衍射干涉测量方法包括如下步骤：

步骤1：对波长调谐相移点衍射干涉测量装置初始化，其具体包括如下子步骤：

步骤1.1：设定波长调谐相移点衍射干涉测量时的移相步数N、移相角度

和干涉腔的长度h，干涉腔的长度h为被检光学元件203曲率半径R的两倍。

步骤1.2：启动本发明所述波长调谐相移点衍射干涉测量装置，由主控计算机303读取并记录波长计104测得的当前激光波长检测信号λ₁、功率计105测得的当前激光功率检测信号P₁以及CCD相机205采集的第一幅干涉图像I₁。

步骤1.3：波长求解公式：

式（1）中，i=2,3…N。

依据式（1），由主控计算机303根据步骤1.1设定的移相步数N、移相角度

和干涉腔的长度h依次计算移相到第j（j=1,2,3…N）步时需要的各个激光波长数值组λ_i,(i=1,2…N)。

步骤2：采用逐步调谐激光实现波长移相的方法完成相移点衍射干涉图集的采集，其具体包括如下子步骤：

步骤2.1：主控计算机303通过可调谐激光器控制模块301向可调谐激光器101发出激光波长调谐命令，使可调谐激光器101发出激光波长调谐至λ_i，i值依次取i=2,3…N。λ_i依次经由步骤1.3所获得的激光波长数值组确定。当可调谐激光器101每完成一次波长调谐后，其均通过可调谐激光器控制模块301向主控计算机303发送波长调谐完成反馈信号。主控计算机303每次收到波长调谐完成反馈信号后，都通过CCD相机采集控制模块302向CCD相机205发出图像信号采集命令。CCD相机205按照图像信号采集命令依次采集第j（j=1,2,3…N）幅干涉图像I_i并将其每次所采集到的干涉图像信号通过CCD相机采集控制模块302发送给主控计算机303。主控计算机303读取并记录波长计104每次测得的当前激光波长检测信号λ_i、,功率计105每次测得的当前激光波长检测信号P_i以及CCD相机205每次采集的第j幅干涉图像I_i，即：获得了相移点衍射干涉图集。

步骤2.2：主控计算机303令j=i+1并重复步骤2.1的测量过程，直至j=i+1达到步骤1.1设定的移相步数N时，检测结束。

步骤3：对相移点衍射干涉图集进行亮度修正：

由于移相算法要求在移相过程中保持光强的恒定，而波长调谐激光器在波长调谐时很难保证这一点，因此，需要对干涉图进行亮度修正。本发明在采集每幅相移点衍射干涉图像同时采集激光功率值，然后根据功率变化对相移点衍射干涉图集进行亮度修正，其具体方法如下：

由主控计算机303调取步骤2.1存储的功率计105测得的当前激光波长检测信号P_i,(i=1,2,3...N)集合及对应的相移点衍射干涉图集I_i,(i=1,2,3...N)，代入下式：

${I_i}^{\′}=\frac{I_i}{P_i}\·P_1\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

I_i',(i=1,2,3...N)即为亮度修正后的相移点衍射干涉图集。

步骤4：对步骤3所述修正后的相移点衍射干涉图集中的N幅干涉图进行移相位算法处理，则可获包含被检光学元件203面形信息的数据，进而完成波长调谐相移点衍射干涉测量的全过程。所述移相位算法是对干涉图进行处理的经典方法，例如当N=5时，采用的5步移相算法一般是：

由5幅干涉图得到一个结果。当N=7时，可采用7步移相算法，

由7幅干涉图得到一个结果。

Claims (5)

1.一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置，其特征在于：该装置包括可调谐激光光源模块（100）、点衍射干涉模块（200）和控制系统（300），可调谐激光光源模块（100）包括可调谐激光器（101）、第一分光镜（102）、第二分光镜（103）、波长计（104）和功率计（105）；点衍射干涉模块（200）包括光束调整镜组（201）、针孔板（202）、干涉仪成像镜组（204）和CCD相机（205）；控制系统（300）包括可调谐激光器控制模块（301）、CCD相机采集控制模块（302）和主控计算机（303）；

所述可调谐激光器（101）的出射光入射第一分光镜（102）并被分为第一透射光和第一反射光，第一透射光入射第二分光镜（103）并被分为第二透射光和第二反射光，第二透射光经过光束调整镜组（201）聚焦后入射到针孔板（202）的针孔上并发生小孔衍射，形成近理想球面波衍射光，所述衍射光的一部分作为参考光直接入射干涉仪成像镜组（204）；所述衍射光的另一部分作为检测光，检测光首先入射到被检光学元件（203）上并发生反射，所述反射检测光再入射到针孔板（202）的背面并再次发生反射，经针孔板（202）反射后的检测光再入射干涉仪成像镜组（204）；经过干涉仪成像镜组（204）合束后的出射参考光和检测光共同照射到CCD相机（205）的像面上并形成干涉图像，所述干涉图像被CCD相机（205）成像；

所述第一反射光入射波长计（104），波长计（104）与可调谐激光器控制模块（301）连接，可调谐激光器控制模块（301）通过总线与主控计算机（303）连接；可调谐激光器控制模块（301）接收波长计（104）测得的波长检测信号并将该波长检测信号传送给主控计算机（303）；

所述第二反射光入射功率计（105），功率计（105）通过总线与主控计算机（303）连接，功率计（105）将其测得的功率检测信号通过总线传送给主控计算机（303）；

所述可调谐激光器控制模块（301）还与可调谐激光器（101）连接，主控计算机（303）通过可调谐激光器控制模块（301）向可调谐激光器（101）发出激光波长调谐命令，可调谐激光器（101）按照其收到的激光波长调谐命令发出指定波长的激光；可调谐激光器控制模块（301）还向主控计算机（303）机发送波长调谐完成反馈信号；

所述CCD相机（205）与CCD相机采集控制模块（302）连接，CCD相机采集控制模块（302）通过总线与主控计算机（303）连接；CCD相机（205）将其采集到的干涉图像信号通过CCD相机采集控制模块（302）发送给主控计算机（303），并按照主控计算机（303）发出的图像信号采集命令采集图像。

2.如权利要求1所述的一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置，其特征在于：所述针孔板（202）上的针孔是亚微米针孔，针孔板（202）的背面为平面镜；所述被检光学元件（203）为凹面镜，其与所述干涉仪成像镜组（204）均位于针孔板（202）后方并以针孔板（202）的针孔为焦点。

3.如权利要求1或2所述的一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置，其特征在于：所述被检光学元件（203）与干涉仪成像镜组（204）以针孔板（202）针孔的法线为对称轴左右对称设置，所述被检光学元件（203）的光轴与针孔板（202）针孔法线的夹角度数由被检光学元件（203）的口径与曲率半径R的比值确定，且该夹角度数大于被检光学元件（203）边缘与球心连线所成的角。

4.如权利要求1所述的一种波长调谐相移点衍射干涉测量装置，其特征在于：所述光束调整镜组（201）由同一光轴上的三块透镜共同组成，其第一块透镜和第二块透镜共同实现对激光光束的扩束准直，其第三块透镜对准直后的激光光束进行聚焦。

5.一种波长调谐相移点衍射干涉测量方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：对波长调谐相移点衍射干涉测量装置初始化，其具体包括如下子步骤：

步骤1.1：设定波长调谐相移点衍射干涉测量时的移相步数N、移相角度

和干涉腔的长度h，所述干涉腔的长度h为被检光学元件（203）曲率半径R的两倍；

步骤1.2：启动本发明所述波长调谐相移点衍射干涉测量装置，由主控计算机（303）读取并记录波长计（104）测得的当前激光波长检测信号λ₁、功率计（105）测得的当前激光功率检测信号P₁以及CCD相机（205）采集的第一幅干涉图像I₁；

步骤1.3：波长求解公式：

式（1）中，i=2,3…N；

依据式（1），由主控计算机（303）根据步骤1.1设定的移相步数N、移相角度和干涉腔的长度h依次计算移相到第j(j=1,2,3…N)步时需要的各个激光波长数值组λ_i,；(i＝2,3…N)

步骤2：采用逐步调谐激光实现波长移相的方法完成相移点衍射干涉图集的采集，其具体包括如下子步骤：

步骤2.1：主控计算机（303）通过可调谐激光器控制模块（301）向可调谐激光器（101）发出激光波长调谐命令，使可调谐激光器（101）发出激光波长调谐至λ_i(i＝2,3…N)，所述λ_i依次经由步骤1.3所获得的激光波长数值组确定；当可调谐激光器（101）每完成一次波长调谐后，其均通过可调谐激光器控制模块（301）向主控计算机（303）发送波长调谐完成反馈信号；主控计算机（303）每次收到所述波长调谐完成反馈信号后，都通过CCD相机采集控制模块（302）向CCD相机（205）发出图像信号采集命令；CCD相机（205）按照图像信号采集命令依次采集第j(j=1,2,3…N)幅干涉图像I_i(i=2,3…N)并将其每次所采集到的干涉图像信号通过CCD相机采集控制模块（302）发送给主控计算机（303）；主控计算机（303）读取并记录波长计（104）每次测得的当前激光波长检测信号λ_i、,功率计（105）每次测得的当前激光波长检测信号P_i(i=2,3…N)以及CCD相机（205）每次采集的第j幅干涉图像I_i(i=2,3…N)，即：获得了相移点衍射干涉图集；

步骤2.2：主控计算机（303）令j=i+1并重复步骤2.1的测量过程，直至j=i+1达到步骤1.1设定的移相步数N时，检测结束；

步骤3：对相移点衍射干涉图集进行亮度修正：

由主控计算机（303）调取步骤2.1存储的功率计（105）测得的当前激光波长检测信号P_i,(i=1,2,3...N)集合及对应的相移点衍射干涉图集I_i,(i=1,2,3...N)，代入下式：

${I_i}^{\′}=\frac{I_i}{P_i}\·P_1---\left(2\right)$

所述I_i',(i=1,2,3...N)即为亮度修正后的相移点衍射干涉图集；

步骤4：对步骤3所述修正后的相移点衍射干涉图集中的N幅干涉图进行移相位算法处理，则可获包含被检光学元件（203）面形信息的数据，进而完成波长调谐相移点衍射干涉测量的全过程。

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