CN103499309B - 一种带有环境反馈的自动干涉检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有环境反馈的自动干涉检测系统及方法，自动干涉检测系统包括了独立地基，第一振动测量探头，主动隔振系统，大理石平台，第二振动测量探头，第三振动测量探头，调整架，转台，待测镜架，第四振动测量探头，第一导轨，第二导轨，干涉仪衍架，温度测量探头，外壳，干涉仪测量头，第五振动测量头，计算机组成。第一振动测量探头用于测量地面垂直振动，第二振动测量探头用于测量水平振动，第三振动测量探头用于测量平台台面垂直振动，第四振动测量探头用于测量待测镜架上振动，第五振动测量探头用于测量干涉仪测量头上垂直振动，温度测量探头用于测量干涉仪测量头和待测镜架之间的温度。

Description

一种带有环境反馈的自动干涉检测系统及方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，涉及一种带有环境反馈的自动干涉检测系统及方法。

背景技术

高精度干涉仪表面测量变得越来越重要，不但在传统的光学制造领域，而且在像光盘面或者半导体晶体面这样的新领域。pv值在亚纳米范围的检测精度要求越来越多。随着现代工业和科学技术的飞速发展，特别是近代大规模集成电路技术的不断提高，对系统的精度要求日益提高。在光刻系统中，越来越短的波长要求我们使用更高精度的光刻物镜。在这之前我们需要更高精度的检测技术来满足加工及系统集成的需要。光学面形高精度检测技术是极大规模集成电路及成套设备制造工艺中关键技术之一。

高精度面形检测过程中，检测环境起到了至关重要的作用。高精度测量过程中，振动，温度，气流波动，湿度等环境因素会影响测量的重复性和测量精度。在检测过程中，需要对环境温度，环境湿度，环境振动，环境洁净度，环境噪声，空气流动进行控制。

移相干涉仪对环境中的振动噪声敏感，因为振动噪声将使得两相干光的光程差随机变化，探测器获得的干涉条纹出现抖动，变得模糊，条纹的对比度降低，产生频率为干涉条纹2倍空间频率的波纹误差。

环境中的振动噪声主要有通过地表传播的机械振动和空气流动，振动的特征复杂，振动的频率从几赫兹到几千赫兹，振动幅度也各不相同。空气流动会使局部区域内空气密度不均匀，改变测量波的波前，带来误差。为减小空气流动引起的误差，要求干涉仪放在密闭恒温室空间内，在仪器进行高精度测量前，需要等待一段时间，以使内部的温度平衡和气流平衡，以减小因温差和人活动带来的气流运动。测试时室内人员不易过多，且不能走动，最好是人员事先对干涉仪进行设置然后离开实验室，让干涉仪稳定后自动进行测量，因为人的呼吸和体温都会带来空气流动。为减小机械振动带来的误差，要求将干涉仪放在混凝土浇注的地基上，并使用有防震垫的工作台（光学平台、大理石平台、气浮垫），这样会大大衰减大幅的震动。为减小小幅振动的影响，研究人员进行大量的研究。

PabloD.Rui等人对光学平台上的振动进行实验研究指出，振动的幅度与振动频率成反比，振动的能量主要集中在100赫兹以下。1996年P.deGroot用简谐振动作为噪声模型，对轴向振动噪声的影响进行傅里叶分析，并对振动噪声的影响进行数值模拟，得到误差RMS与振动频率关系。

美国高精度干涉仪制造公司Zygo检测实验室环境温度变化控制在±0.01°，振动控制在VC-G水平或更高。

振动对精密光机系统有较大影响：

多种旋转及往复运动设备在工作状态下均会产生振动，这些振动会对精密光机系统造成多种不利影响:1.振动会降低精密仪器的精度，2.数据采集重复性差，3.影响光机设备的使用寿命，4.对有些灵敏的继电器，振动甚至会引起其误操作，从而导致事故。

同时温度波动对光学检测也会存在较大的影响，玻璃等材料随着温度变化会产生变形，影响检测精度。同时测量过程中温度差会引起空气流动，影响干涉仪条纹稳定性。温度梯度的存在也会使空气折射率发生变化，使干涉检测结果不准确。

根据高精度检测国际标准ISO17025和CIPM（2009）,温度和振动引起的测量误差需要加入测量不确定度分析。目前国内高精度检测和国际标准有较大差距，本装置的实现有利于提高检测精度。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带有环境反馈的自动干涉检测系统，以实现在检测过程中能够自动检测温度和振动变化，来自动处理检测数据。

为达成所述目的，本发明提供一种带有环境反馈的自动干涉检测系统，包括：独立地基、第一振动测量探头、主动隔振系统、大理石平台、第二振动测量探头、调整架、第三振动测量探头、转台、待测镜架、第四振动测量探头、第一导轨、第二导轨、干涉仪衍架、温度测量探头、外壳、干涉仪测量头、第五振动测量头和计算机；其中：独立地基上放置主动隔振系统和第一振动测量探头；主动隔振系统上放置大理石平台，大理石平台上面放置调整架，第二振动测量探头放置在大理石平台侧面；调整架上方放置转台，第三振动测量探头放置在大理石平台台面上；待测镜架放置在转台上，第四振动测量探头放置在待测镜架边上，干涉仪衍架固定在大理石平台上，第一导轨固定在干涉仪衍架一侧，第二导轨固定在第一导轨上，温度测量探头固定在第二导轨上，外壳固定在大理石平台上，干涉仪测量头固定在干涉仪衍架上，第五振动测量探头固定在干涉仪测量头边上，计算机与主动隔振系统、第一振动测量探头、第二振动测量探头、第三振动测量探头、第四振动测量探头、第五振动测量探头、温度测量探头、调整架、转台、第一导轨、第二导轨、干涉仪测量头相连；

独立地基：用于隔离地面振动；

第一振动测量探头：用于测量地面垂直振动；

主动隔振系统：用于进一步隔离地面振动；

大理石平台：用于放置各种测量设备及配件；

第二振动测量探头：用于测量大理石平台水平振动；

调整架：用于调整待测镜架的状态；

第三振动测量探头：用于测量大理石平台台面垂直振动；

转台：用于转动待测镜架；

待测镜架：用于放置待测镜；

第四振动测量探头：用于测量待测镜架上的垂直振动；

第一导轨：用于控制温度测量探头的垂直方向移动；

第二导轨:固定在第一导轨上，用于控制温度测量探头的水平方向移动；

干涉仪衍架：用于固定干涉仪测量头和第一导轨；

温度测量探头：用于测量干涉仪测量头和待测镜架之间的温度变化；

外壳：用于保持壳内的温度和气流的稳定；

干涉仪测量头：用于干涉测量待测镜面形；

第五振动测量探头：用于测量干涉仪测量头上的垂直振动；

计算机：与主动隔振系统、第一振动测量探头、第二振动测量探头、第三振动测量探头、第四振动测量探头、第五振动测量探头、温度测量探头、调整架、转台、第一导轨、第二导轨相连，控制这些设备的运动或进行数据传输。

其中，第一振动测量探头、第二振动测量探头、第三振动测量探头和第五振动测量探头均为加速度计或位移计，并均通过计算机进行数据输出。

其中，第四振动测量探头为加速度计或位移计，或激光干涉测量探头，并通过计算机进行数据输出。

其中，所述第一导轨固定在干涉仪衍架上、第二导轨固定在第一导轨上，第一导轨、第二导轨通过计算机控制温度测量探头的垂直和水平运动，第一导轨采用机械导轨或气吸浮导轨，第二导轨可以伸缩。

其中，温度测量探头采用温度传感器。

其中，外壳可以采用玻璃罩，也可以采用条状塑料组合。

其中，计算机与第一振动测量探头、第二振动测量探头、第三振动测量探头、第四振动测量探头、第五振动测量探头、温度测量探头相连，读入振动和温度测量实时数据，通过对数据分析后控制干涉仪测量头进行自动检测。

为达成所述目的，本发明提供一种使用带有环境反馈的自动干涉检测系统测量光学镜片面形的方法，所述测量光学镜片面形步骤如下：

第一步：调整主动隔振系统，通过计算机检测第二振动测量探头、第三振动测量探头、第四振动测量探头、第五振动测量探头、温度测量探头，当振动振幅和温度稳定后即开始下面步骤；

第二步：调整调整架和转台，待测光学镜片放置在待测镜架上，干涉仪测量头包含参考平面，消除待测光学镜片相对于干涉仪测量头的参考平面的倾斜和位移误差，同时使干涉仪测量头的参考平面中心和待测光学镜片中心对准；

第三步：将待测光学镜片固定在转台中，使转台旋转待测光学镜片，利用奇偶函数法、角度剪切法或者角度等分旋转绝对测量算法对待测光学镜片进行绝对标定；求出待测光学镜片的待测平面的对应面形信息B和干涉仪测量头的参考平面的面形信息A；

第四步：计算机控制干涉仪测量头进行多次重复性测量，同时计算机根据振动测量探头的读数，如果有突发的振动，就不记录当下测试数据。同样，根据温度测量探头的读数，如果温度变化范围超过一定值，同样也不记录测试数据；

第五步：根据多次检测的结果，给出待测平面的面形信息B。

本发明的有益效果：在检测过程中，利用振动测量探头，温度测量探头，自动测量环境变化，根据环境变化决定是否记录检测数据，提高检测设备对环境误差的抑制能力。同时根据国际标准ISO17025,CIPM2009将检测到的温度和振动测量数据自动计算面形检测过程中环境引起的测量不确定度。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为实验室附近距离主要交通要道时街道交通车辆震动情况图；

图3为实验室加了独立地基后的隔振效果；

图4为振动误差与振动频率的关系图；

图5美国Zygo公司检测实验室温度变化；

图6美国Zygo公司检测实验室低频振动测量数据；

图7美国Zygo公司检测实验室温度变化造成的测量不确定度；

图8为本发明第一导轨、第二导轨、温度测量头位置关系图；

图9为本发明计算机与其他设备连接关系图；

图10为本发明检测测量步骤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1表示本发明装置的结构示意图，包括独立地基1、第一振动测量探头2、主动隔振系统3、大理石平台4、第二振动测量探头5、调整架6、第三振动测量探头7、转台8、待测镜架9、第四振动测量探头10、第一导轨11、第二导轨12、干涉仪衍架13、温度测量探头14、外壳15、干涉仪测量头16、第五振动测量头17、计算机18。其中：独立地基1用于隔离地面振动，第一振动测量探头2用于测量地面振动。主动隔振系统3上放置大理石平台4，大理石平台4上面放置调整架6，第二振动测量探头5放置在大理石平台4侧面。调整架6上方放置转台8，第三振动测量探头7放置在大理石平台4台面上。待测镜架9放置在转台8上。第四振动测量探头10放置在待测镜架9边上。干涉仪衍架13固定在大理石平台4上。第一导轨11固定在干涉仪衍架13一侧，第二导轨12一端固定在第一导轨11上。温度测量探头14固定在第二导轨12上。外壳15固定在大理石平台4上。干涉仪测量头16固定在干涉仪衍架13上。第五振动测量探头17固定在干涉仪测量头16边上。计算机18与主动隔振系统3、第一振动测量探头2、第二振动测量探头5、第三振动测量探头7、第四振动测量探头10、第五振动测量探头17、温度测量探头14、调整架6、转台8、第一导轨11、第二导轨12、干涉仪测量头16相连。

独立地基1：用于隔离地面振动；第一振动测量探头2：用于测量地面垂直振动；主动隔振系统3：用于进一步隔离地面振动；大理石平台4：用于放置各种测量设备及配件；第二振动测量探头5：用于测量大理石平台水平振动；调整架6：用于调整待测镜架9的状态；第三振动测量探头7：用于测量大理石平台台面垂直振动；转台8：用于转动待测镜架9；待测镜架9：用于放置待测镜；第四振动测量探头10：用于测量待测镜架上的垂直振动；第一导轨11：用于和第二导轨12一起控制温度测量探头14的垂直移动；第二导轨12，一端固定在第一导轨11上，用于控制温度测量探头14的水平移动；干涉仪衍架13，用于固定干涉仪测量头16和第一导轨11；温度测量探头14，用于测量干涉仪测量头16和待测镜架9之间的温度变化；外壳15：用于保持壳内的温度和气流的稳定；干涉仪测量头16，用于干涉测量待测镜面形；第五振动测量探头17，用于测量干涉仪测量头16上的垂直振动；计算机18：与主动隔振系统3、第一振动测量探头2、第二振动测量探头5、第三振动测量探头7、第四振动测量探头10、第五振动测量探头17、温度测量探头14、调整架6、转台8、第一导轨11、第二导轨12、干涉仪测量头16相连，控制这些设备的运动或进行数据传输。

由于实验室周围存在机动车，人流，设备等振动源，需要采用地面振动隔离单元隔离地面振动。图2为实验室附近距离主要交通要道时街道交通车辆震动情况。图中看出，车辆振动频率接近干涉仪的敏感频率（1-100Hz）,对干涉仪测量有较大影响，因此需要采用独立地基1来隔离振动。图3是加了独立地基1后的隔振效果。从图中可以看出，地面隔振单元对于振动有较好的隔离效果。

PabloD.Rui等人对光学平台上的振动进行实验研究指出，振动的幅度与振动频率成反比，振动的能量主要集中在100赫兹以下。1996年P.deGroot用简谐振动作为噪声模型，对轴向振动噪声的影响进行傅里叶分析，并对振动噪声的影响进行数值模拟，得到振动误差RMS与振动频率关系如图4所示（其中归一化频率是指振动频率与采样频率的比值），从图中可以看出，当外部振动接近干涉仪固有频率时会发生共振现象。

美国高精度干涉仪制造公司Zygo检测实验室环境温度变化控制在±0.01°，图中给出了24小时实验室温度变化，如图5所示，振动控制在VC-G水平或更高，图中给出了如图6所示，表示了实验室在不同频率段的振动加速度值。在实验室存在温度梯度的情况下，造成面形不确定度如图7所示，从图中可以看出在Zygo已经进行温度控制的环境下，温度的微小变化依然能够造成测量不确定度。

测量过程中所述外壳15的内部充氮气或者氦气，或抽真空。

空气流动会使局部区域内空气密度不均匀，改变测量波的波前，带来误差。为减小空气流动引起的误差，因此干涉仪测量头16放在密闭空间内；

所述第一导轨11固定在干涉仪衍架13上，第二导轨一端固定在第一导轨11上，如图8所示，温度测量探头14可以通过第一导轨11和第二导轨12进行水平和垂直运动，如图8所示。

计算机18与第一振动测量探头2、第二振动测量探头5、第三振动测量探头7、第四振动测量探头10、第五振动测量探头17、温度测量探头14相连，读入振动和温度测量实时数据，通过对数据分析后控制干涉仪测量头16进行自动检测，如图9所示。

为达成所述目的，本发明提供一种带有环境反馈的自动干涉检测方法，可以采用绝对测量法，利用三平面互检的方式，把斐索干涉仪系统误差同时测量出来，用于提高测量精度。图10所示是带有环境反馈的自动干涉检测方法，所述方法的检测步骤如下：

第一步：调整主动隔振系统3，通过计算机检测第二振动测量探头5、第三振动测量探头7、第四振动测量探头10、第五振动测量探头17、温度测量探头14，当振动振幅和温度稳定后即开始下面步骤；

第二步：调整调整架6和转台8，待测光学镜片放置在待测镜架9上，干涉仪测量头16包含参考平面，消除待测光学镜片相对于干涉仪测量头16的参考平面的倾斜和位移误差，同时使干涉仪测量头16的参考平面中心和待测光学镜片中心对准；

第三步：将待测光学镜片固定在转台中，使转台8旋转待测光学镜片，利用奇偶函数法、角度剪切法或者角度等分旋转绝对测量算法对待测光学镜片进行绝对标定；求出待测光学镜片的待测平面的对应面形信息B和干涉仪测量头16的参考平面的面形信息A；

第四步：计算机18控制干涉仪测量头16进行多次重复性测量，同时计算机18根据振动测量探头的读数，如果有突发的振动，就不记录当下测试数据。同样，根据温度测量探头的读数，如果温度变化范围超过一定值，同样也不记录测试数据；

第五步：根据多次检测的结果，给出待测平面的面形信息B。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种带有环境反馈的自动干涉检测系统，其特征在于，包括：独立地基(1)、第一振动测量探头(2)、主动隔振系统(3)、大理石平台(4)、第二振动测量探头(5)、调整架(6)、第三振动测量探头(7)、转台(8)、待测镜架(9)、第四振动测量探头(10)、第一导轨(11)、第二导轨(12)、干涉仪衍架(13)、温度测量探头(14)、外壳(15)、干涉仪测量头(16)、第五振动测量头(17)和计算机(18)；其中：独立地基(1)上放置主动隔振系统(3)和第一振动测量探头(2)；主动隔振系统(3)上放置大理石平台(4)，大理石平台(4)上面放置调整架(6)，第二振动测量探头(5)放置在大理石平台(4)侧面；调整架(6)上方放置转台(8)，第三振动测量探头(7)放置在大理石平台(4)台面上；待测镜架(9)放置在转台(8)上，第四振动测量探头(10)放置在待测镜架(9)边上，干涉仪衍架(13)固定在大理石平台(4)上，第一导轨(11)固定在干涉仪衍架(13)一侧，第二导轨(12)固定在第一导轨(11)上，温度测量探头(14)固定在第二导轨(12)上，外壳(15)固定在大理石平台(4)上，第二振动测量探头(5)、调整架(6)、第三振动测量探头(7)、转台(8)、待测镜架(9)、第四振动测量探头(10)、第一导轨(11)、第二导轨(12)、干涉仪衍架(13)、温度测量探头(14)、干涉仪测量头(16)和第五振动测量头(17)均在外壳(15)内，干涉仪测量头(16)固定在干涉仪衍架(13)上，第五振动测量探头(17)固定在干涉仪测量头(16)边上，计算机(18)与主动隔振系统(3)、第一振动测量探头(2)、第二振动测量探头(5)、第三振动测量探头(7)、第四振动测量探头(10)、第五振动测量探头(17)、温度测量探头(14)、调整架(6)、转台(8)、第一导轨(11)、第二导轨(12)、干涉仪测量头(16)相连；

独立地基(1)：用于隔离地面振动；

第一振动测量探头(2)：用于测量地面垂直振动；

主动隔振系统(3)：用于进一步隔离地面振动；

大理石平台(4)：用于放置各种测量设备及配件；

第二振动测量探头(5)：用于测量大理石平台水平振动；

调整架(6)：用于调整待测镜架(9)的状态；

第三振动测量探头(7)：用于测量大理石平台台面垂直振动；

转台(8)：用于转动待测镜架(9)；

待测镜架(9)：用于放置待测镜；

第四振动测量探头(10)：用于测量待测镜架上的垂直振动；

第一导轨(11)：用于控制温度测量探头(14)的垂直方向移动；

第二导轨(12):固定在第一导轨(11)上，用于控制温度测量探头(14)的水平方向移动；

干涉仪衍架(13)，用于固定干涉仪测量头(16)和第一导轨(11)；

温度测量探头(14)，用于测量干涉仪测量头(16)和待测镜架(9)之间的温度变化；

外壳(15)：用于保持壳内的温度和气流的稳定；

干涉仪测量头(16)，用于干涉测量待测镜面形；

第五振动测量探头(17)，用于测量干涉仪测量头(16)上的垂直振动；

计算机(18)：与主动隔振系统(3)、第一振动测量探头(2)、第二振动测量探头(5)、第三振动测量探头(7)、第四振动测量探头(10)、第五振动测量探头(17)、温度测量探头(14)、调整架(6)、转台(8)、第一导轨(11)、第二导轨(12)相连，控制这些设备的运动或进行数据传输；

所述第一振动测量探头(2)、所述第二振动测量探头(5)、所述第三振动测量探头(7)、所述第四振动测量探头(10)和第五振动测量探头(17)均为加速度计或位移计，并均通过计算机(18)进行数据输出。

2.根据权利要求1所述一种带有环境反馈的自动干涉检测系统，其特征在于：所述第四振动测量探头(10)为加速度计或位移计，或激光干涉测量探头，并通过计算机(18)进行数据输出。

3.根据权利要求1所述一种带有环境反馈的自动干涉检测系统，其特征在于：第二导轨(12)固定在第一导轨(11)上，第一导轨、第二导轨通过计算机控制温度测量探头的垂直和水平运动，第一导轨(11)采用机械导轨或气吸浮导轨，第二导轨(12)可以伸缩。

4.根据权利要求1所述一种带有环境反馈的自动干涉检测系统，其特征在于：所述外壳(15)可以采用玻璃罩，也可以采用条状塑料组合。

5.根据权利要求1所述一种带有环境反馈的自动干涉检测系统，其特征在于：所述计算机(18)与第一振动测量探头(2)、第二振动测量探头(5)、第三振动测量探头(7)、第四振动测量探头(10)、第五振动测量探头(17)、温度测量探头(14)相连，读入振动和温度测量实时数据，通过对数据分析后控制干涉仪测量头(16)进行自动检测。

6.一种使用权利要求1所述一种带有环境反馈的自动干涉检测系统测量光学镜片面形的方法，其特征在于：所述测量光学镜片面形步骤如下：

第一步：调整主动隔振系统(3)，通过计算机检测第二振动测量探头(5)、第三振动测量探头(7)、第四振动测量探头(10)、第五振动测量探头(17)、温度测量探头(14)，当振动振幅和温度稳定后即开始下面步骤；

第二步：调整调整架(6)和转台(8)，待测光学镜片放置在待测镜架(9)上，干涉仪测量头(16)包含参考平面，消除待测光学镜片相对于干涉仪测量头(16)的参考平面的倾斜和位移误差，同时使干涉仪测量头(16)的参考平面中心和待测光学镜片中心对准；

第三步：将待测光学镜片固定在转台中，使转台旋转待测光学镜片，利用奇偶函数法、角度剪切法或者角度等分旋转绝对测量算法对待测光学镜片进行绝对标定；求出待测光学镜片的待测平面的对应面形信息B和干涉仪测量头(16)的参考平面的面形信息A；

第四步：计算机控制干涉仪测量头(16)进行多次重复性测量，同时计算机根据振动测量探头的读数，如果有突发的振动，就不记录当下测试数据；同样，根据温度测量探头的读数，如果温度变化范围超过一定值，同样也不记录测试数据；

第五步：根据多次检测的结果，给出待测平面的面形信息B。