CN104296676A - 基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，包括光束调整单元、低频差移相单元、点衍射单元以及面阵探测器单元：光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；低频差移相单元，用于对光束调整单元得到的两束激光的频率进行调整以得到两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；点衍射单元，用于将低频差移相单元调整后的激光分为测量光和参考光以产生干涉；面阵探测器单元，用于采集干涉。采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度提高，抗干扰性好，低频差外差干涉与面阵探测器连续采集，获得的信息量更丰富利于精确解算相位及克服噪声影响。

Description

基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪。

背景技术

作为集成电路制造的关键设备，光刻机的研制得到了重大支持，已经初步掌握了用于45nm加工工艺的深紫外光刻机(DUVL)加工和检测，正在开展用于45nm以下加工工艺的极紫外光刻机(EUVL)研制的预先研究。以EUVL投影曝光系统为代表的高端光学设备，对光学元件的加工、光学系统的集成提出了极大挑战。干涉仪作为高精度光学元件加工和光学系统集成不可或缺的核心检测设备，检测精度要求不断提高。

传统的球面干涉检测法都是利用一个具有较高面形精度的参考平面或球面获得所需参考波面，进而与携带待测面形信息的检测波面进行比较，由此得到待测面形数据。因而标准镜上参考面的面形精度直接限制了传统干涉系统所能实现的检测精度。而点衍射干涉仪(Point Diffraction Interferometer，简称PDI)的出现和发展很好的解决了该问题。点衍射球面干涉检测技术的基本思想是利用点衍射原理来获取理想的球面波，并将衍射波前的一部分作为参考波前，另一部分作为检测波前,进而可实现球面面形的高精度检测。利用点衍射原理获得理想球面波前,避免了传统干涉检测系统中由于标准镜面形误差对于系统检测精度的限制，因而可以达到衍射极限性能的分辨率，并使得检测精度具有较好的再现性。按照点衍射波前的获取方式不同，可将点衍射球面干涉检测法分为光纤点衍射干涉检测法和针孔点衍射干涉检测法。

但是，由于采用机械移动作为移相方法，因此精度仍不够高，成本高，研制难度大。尤其对大口径面形的测量，精密机械驱动精度降低，测量精度也随之降低。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，实现避免干涉仪存在运动件，提高测量精度和抗干扰性能。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，包括光束调整单元、低频差移相单元、点衍射单元以及面阵探测器单元：

所述光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；

所述低频差移相单元，用于对所述光束调整单元得到的所述两束激光的频率进行调整以得到所述两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；

所述点衍射单元，用于将所述低频差移相单元调整后的激光分为测量光和参考光以产生干涉；

所述面阵探测器单元，用于采集所述干涉。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，采用声光移频器外差干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，采用低频差外差干涉与面阵探测器连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位及克服噪声等因素影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪的构成示意图。

图2为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪的应用示意图。

图3为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪的采集信号示意图。

图4为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪的应用示意图。

图5为本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪的应用示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

针对现有技术几乎都采用机械驱动进行移相，达到高精度难度大，抗干扰性差，获取信息量小，高精度解算算法复杂。

本发明为了解决上述问题，采用声光移频器外差点衍射干涉移相，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低。尤其对于大口径面形的测量，相比机械驱动同样的优势更明显。

如图1所示，一种基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，包括光束调整单元11、低频差移相单元12、点衍射单元13以及面阵探测器单元14：

光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；

低频差移相单元，用于对光束调整单元得到的两束激光的频率进行调整以得到两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；

点衍射单元，用于将低频差移相单元调整后的激光分为测量光和参考光以产生干涉；

面阵探测器单元，用于采集干涉。

具体而言，光束调整单元可以包括：激光器、可调谐滤光片和第一分光镜，将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；

或者，光束调整单元可以包括：激光器和第一分光镜，将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光。

第一分光镜可以为1：1分光棱镜，本领域技术人员可以理解，1：1分光棱镜可以称为半透半反棱镜。本领域技术人员知道的其他半波片加偏振分光镜的组合将光调整为功率相同的两束激光的方式，也可以使用。

具体而言，低频差移相单元可以包括：

第一声光移频器、第二声光移频器以及同源低频差驱动器；

第一声光移频器和第二声光移频器通过同源低频差驱动器驱动，输出差频为100赫兹以下的低差频，且第一声光移频器用于调整两束激光中的一束激光的频率，第二声光移频器用于调整两束激光中另一束激光的频率。

本领域技术人员可以理解，两个声光移频器的移频量大小不同，因此输出差频为几赫兹量级到几十赫兹量级都可以，以便使用现有面阵探测器单元探测，赫兹数值可以是整数也可以为小数，不受限制。

具体而言，点衍射单元可以包括：

第一光纤耦合镜、第二光纤耦合镜、第一偏振调节器、第二偏振调节器、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤以及第二分光镜，第一单模保偏光纤的出射端具有反射膜；

低频差移相单元调整后的一束激光经第一光纤耦合镜耦合到第一单模保偏光纤，低频差移相单元调整后的另一束激光经第二光纤耦合镜耦合到第二单模保偏光纤，通过第一偏振调节器和第二偏振调节器分别调整第一单模保偏光纤以及第二单模保偏光纤的出射光的偏振方向一致，且第一单模保偏光纤的出射光作为测量光，第二单模保偏光纤的出射光作为参考光；

测量光经待测元件的待测表面反射或者透射后进入面阵探测器单元，参考光经第二分光镜后进入面阵探测器单元，形成干涉。

或者，作为一种可选方案，点衍射单元包括：

显微物镜、衍射小孔、第二光纤耦合镜、第二偏振调节器、第二单模保偏光纤以及第二分光镜；

低频差移相单元调整后的一束激光经显微物镜汇聚到衍射小孔，衍射小孔的出射光作为测量光，低频差移相单元调整后的另一束激光经第二光纤耦合镜耦合到第二单模保偏光纤，通过第二偏振调节器调整第二单模保偏光纤的出射光的偏振方向与衍射小孔的出射光的偏振方向一致，第二单模保偏光纤的出射光作为参考光。

即，将光纤换为点衍射小孔，用显微物镜汇聚至小孔再将衍射出射的光作为测量光。

或者，作为一种可选方案，点衍射单元可以包括：

显微物镜、衍射小孔、第一光纤耦合镜、第一偏振调节器、第一单模保偏光纤、以及第二分光镜，第一单模保偏光纤的出射端具有反射膜；

低频差移相单元调整后的一束激光经显微物镜汇聚到衍射小孔，衍射小孔的出射光作为参考光，低频差移相单元调整后的另一束激光经第一光纤耦合镜耦合到第一单模保偏光纤，通过第一偏振调节器调整第一单模保偏光纤的出射光的偏振方向与衍射小孔的出射光的偏振方向一致，第一单模保偏光纤的出射光作为测量光。

光纤换为点衍射小孔，用显微物镜汇聚至小孔再将衍射出射的光作为参考光。

或者，作为一种可选方案，点衍射单元可以包括：

第一显微物镜、第一衍射小孔、第二显微物镜以及第二衍射小孔；

低频差移相单元调整后的一束激光经第一显微物镜汇聚到第一衍射小孔，低频差移相单元调整后的另一束激光经第二显微物镜汇聚到第二衍射小孔，第一衍射小孔的出射光的偏振方向与第二衍射小孔的出射光的偏振方向一致，第一衍射小孔的出射光作为测量光，第二衍射小孔的出射光作为参考光；

测量光经待测元件的待测表面反射或者透射后进入面阵探测器单元，参考光经第二分光镜后进入面阵探测器单元，形成干涉。

即，参考光路和测量光路，都由光纤换为点衍射小孔。

本领域技术人员可以理解，光纤耦合镜用于将空间传输的激光导入光纤。

本领域技术人员可以理解，衍射小孔为圆度很好，直径仅为微米级甚至更小的理想小孔。

本领域技术人员可以理解，光纤或小孔出射的点衍射光是发散的，且发散角由光纤性质决定，是固定的，不需要进一步扩展，测量时不同口径的待测面可以通过调整到光纤的距离来控制接受光斑的大小。

第一衍射小孔的出射光的偏振方向与第二衍射小孔的出射光的偏振方向一致可通过对出射光的偏振方向进行测量保证，也可通过调整干涉条纹对比度至最大来保证。

其中，第二分光棱镜可以为1：1分光棱镜。

可选的，点衍射单元还可以包括：待测元件，待测元件的焦点位于第一单模保偏光纤的出射端，或者，待测元件的焦点位于衍射小孔处，或者，待测元件的焦点位于第一衍射小孔处。

待测元件的待测表面可以为透射球面镜表面，或者待测元件的待测表面为反射球面镜表面。

可选的，点衍射单元还可以包括：傅立叶透镜以及监视相机作为监视系统。

监视系统为光路的分路(从第二分光镜处引出分路)，傅里叶透镜对分路光聚焦，参考光和测量光若方向不同，在监视相机上会聚为不同位置的点，可通过这个分离距离保持监视测量光与参考光的夹角。

本发明实施例的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，还可以包括复原单元，用于根据 $S\left(t\right)=2E+2E\cos [2\mathrm{\π}({\mathrm{\ν}}_1-{\mathrm{\ν}}_2)t+2\×\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ν}}_1(L+R)}{c}],$ 得到每相邻点的R值之差实现复原待测面的面型；

其中，ν₁和ν₂分别表示低频差移相单元处理后的两束激光的频率，E表示两束激光的光强，S(t)表示面阵探测器上任一点采集的随时间t变化的干涉信号，L表示测量光往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R表示待测表面粗糙的起伏量，c表示光速。

本发明实施例的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，对球面反射镜进行测量，其光路原理如图2所示：

激光器21出射激光经过可调谐滤光片22控制激光功率，再经过分光镜23平分为功率相等的两束光，分别通过声光移频器241，242，声光移频器241，242由同源低频差驱动器243驱动。声光移频器改变激光频率，两个移频器的移频量不同，差频为几赫兹或几十赫兹量级的低差频，一束光作为测量光，另一束光作为参考光。两束光分别利用光纤耦合镜251，252耦合进入单模保偏光纤261，262，利用偏振调节器271，272将出射光的偏振方向调为一致以进行干涉。一根光纤(如单模保偏光纤261)的出射光作为测量光照射到待测球面反射镜28，该球面镜28的焦点调节至光纤出射端上，光纤出射端镀有反射膜，将球面镜28返回的光反射向面阵探测器29。另一根光纤的光作为参考光经分光镜210后经准直径211直接进入面阵探测器29。分光镜210另一侧设计傅立叶透镜212以及监视相机213用以监视方便光纤的调节。

设移频后两束光的频率分别为ν₁和ν₂，频差ν₁-ν₂为几赫兹或几十赫兹量级，面阵探测器采样频率只需满足采样定理即高于频差的两倍即可准确探测外差的拍频信号。由于频差较小，常用的面阵相机就可以轻易满足该采样频率要求。设两束光的光强都为E，则面阵探测器上一点采集的随时间t变化的干涉信号S(t)表示为：

$S\left(t\right)=2E+2E\cos [2\mathrm{\π}({\mathrm{\ν}}_1-{\mathrm{\ν}}_2)t+2\×\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ν}}_1(L+R)}{c}]$

其中L为测量光束往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R为待测面粗糙的起伏量，c为光速。面阵探测器的一点对应待测面上的一个点，相机连续采集一组面阵照片，即为一组数据立方，对应相同每一点的值抽取出来为一余弦周期信号，即为S(t)的形式，如图3所示。由信号形式可以看出，不同点由于粗糙起伏的R值不同，造成探测器上对应点探测的信号相位不同。利用傅里叶分析或其它数据处理方法可解算每点出信号的相位，即可获得待测表面的起伏量。分别计算每相邻点的R值之差就可复原出待测面的面型。

本发明实施例的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，透射球面镜进行测量。而且，作为一种替换方式，激光器和分光镜，将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光，其光路原理如图4所示：

激光器41出射激光经过分光镜42平分为功率相等的两束光，分别通过声光移频器431，432，声光移频器431，432由同源低频差驱动器434驱动。声光移频器改变激光频率，两个移频器的移频量不同，差频为几赫兹或几十赫兹量级的低差频，一束光作为测量光，另一束光作为参考光。两束光分别利用光纤耦合镜441，442耦合进入单模保偏光纤451，452，利用偏振调节器461，462将出射光的偏振方向调为一致以进行干涉。一根光纤(如单模保偏光纤452)的出射光作为测量光照射到待测透射球面镜47，该透射球面镜47的焦点调节至光纤出射端上，经分光镜48后经准直径49直接进入面阵探测器410。另一根光纤的光作为参考光经分光镜48后经准直径49直接进入面阵探测器410。分光镜49另一侧设计傅立叶透镜411以及监视相机412用以监视方便光纤的调节。

作为一种替换方式，本发明实施例的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，可将如图2所示的光纤换为点衍射小孔，用显微物镜聚至点衍射小孔再将衍射出射的光作为测量光。而且，作为一种替换方式，半波片和偏振分光镜，将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光，其光路原理如图5所示：

图5中，激光器51出射激光经过半波片52和偏振分光镜53平分为功率相等的两束光，分别通过声光移频器531，532，声光移频器531，532由同源低频差驱动器533驱动。声光移频器改变激光频率，两个移频器的移频量不同，差频为几赫兹或几十赫兹量级的低差频，一束光作为测量光，另一束光作为参考光。一束光利用光纤耦合镜54耦合进入单模保偏光纤55，利用偏振调节器56将出射光的偏振方向调整，作为参考光经分光镜510后经准直径511直接进入面阵探测器512。另一束光经显微物镜57汇聚至点衍射小孔58再将衍射出射的光作为测量光照射到待测透射球面镜59，经分光镜510后经准直径511进入面阵探测器512。分光镜510另一侧设计傅立叶透镜513以及监视相机514用以监视方便光纤的调节。

本领域技术人员可以理解，还可以将参考光换做小孔衍射光，或者，将参考光和测量光两者皆换为小孔衍射光，在此不作赘述。

通过以上描述，本发明实施例的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪：

针对现有技术几乎都采用机械驱动进行移相，达到高精度难度大，抗扰性差，有效避免干涉仪存在运动件，测量精度进一步提高，抗干扰性好，且研制难度与成本可以降低。

尤其对于大口径面形的测量，机械驱动方法需要更大口径和力量的驱动器，这样的越大的驱动器精度自然越低，而本发明实施例基于低频差声光移频器移相的外差干涉与被测面口径无关，不会存在对大口径测量精度降低的情况

另外，采用低频差外差干涉与面阵探测器连续采集，获得的信息量更丰富，更有利于精确解算相位，更有利于克服噪声等因素影响。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。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 (10)

1.一种基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，包括光束调整单元、低频差移相单元、点衍射单元以及面阵探测器单元：

所述光束调整单元，用于将激光器的出射激光调整为功率相同的两束激光；

所述低频差移相单元，用于对所述光束调整单元得到的所述两束激光的频率进行调整以得到所述两束激光的输出差频为100赫兹以下的低差频；

所述点衍射单元，用于将所述低频差移相单元调整后的激光分为测量光和参考光以产生干涉；

所述面阵探测器单元，用于采集所述干涉。

2.根据权利要求1所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述光束调整单元包括：激光器、可调谐滤光片和第一分光镜；

或者，所述光束调整单元包括：激光器和第一分光镜。

3.根据权利要求1或2所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述低频差移相单元包括：

第一声光移频器、第二声光移频器以及同源低频差驱动器；

所述第一声光移频器和所述第二声光移频器通过所述同源低频差驱动器驱动，输出差频为几赫兹量级的低差频或者输出差频为几十赫兹量级的低差频，且所述第一声光移频器用于调整所述两束激光中的一束激光的频率，所述第二声光移频器用于调整所述两束激光中另一束激光的频率。

4.根据权利要求3所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述点衍射单元包括：

第一光纤耦合镜、第二光纤耦合镜、第一偏振调节器、第二偏振调节器、第一单模保偏光纤、第二单模保偏光纤以及第二分光镜，所述第一单模保偏光纤的出射端具有反射膜；

所述低频差移相单元调整后的一束激光经所述第一光纤耦合镜耦合到所述第一单模保偏光纤，所述低频差移相单元调整后的另一束激光经所述第二光纤耦合镜耦合到所述第二单模保偏光纤，通过所述第一偏振调节器和所述第二偏振调节器分别调整所述第一单模保偏光纤以及所述第二单模保偏光纤的出射光的偏振方向一致，且所述第一单模保偏光纤的出射光作为测量光，所述第二单模保偏光纤的出射光作为参考光；

所述测量光经待测元件的待测表面反射或者透射后进入所述面阵探测器单元，所述参考光经第二分光镜后进入所述面阵探测器单元，形成干涉。

5.根据权利要求3所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述点衍射单元包括：

显微物镜、衍射小孔、第二光纤耦合镜、第二偏振调节器、第二单模保偏光纤以及第二分光镜；

所述低频差移相单元调整后的一束激光经所述显微物镜汇聚到所述衍射小孔，所述衍射小孔的出射光作为测量光，所述低频差移相单元调整后的另一束激光经所述第二光纤耦合镜耦合到所述第二单模保偏光纤，通过所述第二偏振调节器调整所述第二单模保偏光纤的出射光的偏振方向与所述衍射小孔的出射光的偏振方向一致，所述第二单模保偏光纤的出射光作为参考光；

或者，所述点衍射单元包括：

显微物镜、衍射小孔、第一光纤耦合镜、第一偏振调节器、第一单模保偏光纤、以及第二分光镜，所述第一单模保偏光纤的出射端具有反射膜；

所述低频差移相单元调整后的一束激光经所述显微物镜汇聚到所述衍射小孔，所述衍射小孔的出射光作为参考光，所述低频差移相单元调整后的另一束激光经所述第一光纤耦合镜耦合到所述第一单模保偏光纤，通过所述第一偏振调节器调整所述第一单模保偏光纤的出射光的偏振方向与所述衍射小孔的出射光的偏振方向一致，所述第一单模保偏光纤的出射光作为测量光；

或者，所述点衍射单元包括：

第一显微物镜、第一衍射小孔、第二显微物镜以及第二衍射小孔；

所述低频差移相单元调整后的一束激光经所述第一显微物镜汇聚到所述第一衍射小孔，所述低频差移相单元调整后的另一束激光经所述第二显微物镜汇聚到所述第二衍射小孔，所述第一衍射小孔的出射光的偏振方向与所述第二衍射小孔的出射光的偏振方向一致，所述第一衍射小孔的出射光作为测量光，所述第二衍射小孔的出射光作为参考光；

所述测量光经待测元件的待测表面反射或者透射后进入所述面阵探测器单元，所述参考光经第二分光镜后进入所述面阵探测器单元，形成干涉。

6.根据权利要求4或5所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述点衍射单元还包括：待测元件，所述待测元件的焦点位于所述第一单模保偏光纤的出射端，或者，所述待测元件的焦点位于所述衍射小孔处，或者，所述待测元件的焦点位于所述第一衍射小孔处。

7.根据权利要求4或5所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述待测元件的待测表面为透射球面镜表面，或者所述待测元件的待测表面为反射球面镜表面。

8.根据权利要求4或5所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述点衍射单元还包括：傅立叶透镜以及监视相机。

9.根据权利要求2或4或5所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜为1：1分光棱镜。

10.根据权利要求1所述的基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪，其特征在于，所述基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪还包括复原单元，用于根据 $S\left(t\right)=2E+2E\cos [2\mathrm{\π}({\mathrm{\ν}}_1-{\mathrm{\ν}}_2)t+2\×\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ν}}_1(L+R)}{c}],$ 得到每相邻点的R值之差实现复原所述待测面的面型；

其中，ν₁和ν₂分别表示所述低频差移相单元处理后的两束激光的频率，E表示两束激光的光强，S(t)表示所述面阵探测器上任一点采集的随时间t变化的干涉信号，L表示测量光往返待测表面时相对于参考光多走的光程，R表示待测表面粗糙的起伏量，c表示光速。