CN118092044B - 一种液晶相移点衍射干涉仪及波像差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种液晶相移点衍射干涉仪及波像差检测方法。所述液晶相移点衍射干涉仪包括条纹对比度调节模块、液晶点衍射模块、波像差检测模块，本发明通过电光调制器、垂直线栅点衍射板和液晶点衍射板的配合使得整个系统共光路，抗振性能得到极大提升，受环境的影响减小，从而提高了待测投影物镜的波像差测量精度，并且可以利用λ/2波片的转动调节参考光和测量光之间的强度比，增强干涉条纹的对比度，进一步提高待测投影物镜的波像差测量精度。

Description

一种液晶相移点衍射干涉仪及波像差检测方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种液晶相移点衍射干涉仪及波像差检测方法。

背景技术

投影物镜波像差是影响步进扫描投影光刻机性能的关键指标，并直接影响到光刻机成像质量、光刻分辨率、特征尺寸以及均匀性等重要参数。随着光刻机成像质量、光刻分辨率需求的提高，对于投影物镜的波像差检测精度的要求也在不断提高。

现有技术中的干涉仪包括短相干激光光源、可调中性密度滤波片、二分之一波片、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第一角反射镜、第二四分之一波片、第二角反射镜、显微物镜、光纤、衍射模板、被测件、第三四分之一波片、成像透镜、微偏振片阵列和感光元件，实现一次曝光即可获得四幅相移图像，并且干涉条纹对比度可调。但是该方案只适用于不同反射率的球面面形检测，在投影物镜的波像差检测方面的应用有限，使用光纤可以提高系统的灵活性，但光纤的NA（Numerical Aperture，数值孔径）较小，衍射光强分布中间高边缘低，使得干涉图的光强分布不均匀，影响了光瞳边缘的测量精度，该技术方案非共光路系统，抗振能力弱，受环境的影响比较大。

发明内容

为了解决现有技术问题，本专利提供了一种液晶相移点衍射干涉仪，包括：

条纹对比度调节模块、液晶点衍射模块、波像差检测模块，所述条纹对比度调节模块、液晶点衍射模块、波像差检测模块沿光路依次放置；

所述条纹对比度调节模块包括短相干激光光源，用于产生偏振方向可调的线偏振光束并将光束入射到所述液晶点衍射模块中；

所述液晶点衍射模块包括：

电光调制器、聚焦透镜、垂直线栅点衍射板、待测投影物镜、液晶点衍射板，所述电光调制器、聚焦透镜、垂直线栅点衍射板、待测投影物镜、液晶点衍射板沿光路依次放置，所述液晶点衍射板包括微球和液晶；

光束通过电光调制器后，所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度，光束通过所述聚焦透镜后聚焦到垂直线栅点衍射板上形成水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光，两束光入射到待测投影物镜后，携带了待测投影物镜的波像差并入射到液晶点衍射板上，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的微球衍射形成经过微球的水平方向线偏振光和经过微球的垂直方向线偏振光，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的液晶形成经过液晶的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光，改变所述液晶的电压，使得其中两束光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，其中经过微球的线偏振光为参考光，经过液晶的线偏振光为测量光，而其他光束无法相干，成为背景光；

所述波像差检测模块用于得到相差π/2的四幅相移图像，实现四步并行相移，并通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进而获取待测投影物镜的波像差。

可选的，所述条纹对比度调节模块还包括可调中性密度滤光片、偏振片、λ/2波片，所述短相干激光光源发出光束，可调中性密度滤光片、偏振片、λ/2波片沿光路依次放置，所述光路中利用所述λ/2波片的转动来调节参考光和测量光之间的强度比，增强干涉条纹的对比度。

可选的，所述垂直线栅点衍射板包括环形区域的线栅结构和其中心区域与周围环形区域垂直的线栅结构。

可选的，所述液晶点衍射板包括液晶和镶嵌进液晶中心的微球，所述微球为可压缩塑料微球。

可选的，光束通过电光调制器后，所述光束的垂直分量被附加额外的光程，使得所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度；改变所述液晶的电压，使得在液晶点衍射板上经过微球的垂直方向线偏振光和经过液晶的水平方向线偏振光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，而其他光束无法相干，成为背景光；或者光束通过电光调制器后，所述光束的水平分量被附加额外的光程，使得所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度；改变所述液晶的电压，使得在液晶点衍射板上经过微球的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内。

可选的，所述条纹对比度调节模块、液晶点衍射模块、波像差检测模块共光路。

可选的，所述波像差检测模块包括λ/4波片、成像透镜、偏振相机，所述λ/4波片、成像透镜、偏振相机沿光路依次放置，所述偏振相机上集成了微偏振片阵列，微偏振片阵列的每个像素由透振方向相差π/4的四个微偏振片单元组成。

可选的，所述波像差的获取步骤包括：

经过微球的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光经过λ/4波片后，分别成为参考光和测量光，并通过成像透镜成像在偏振相机上得到四幅相移图像，实现四步并行相移，通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进一步获取待测投影物镜的波像差。

本发明还提供一种利用所述液晶相移点衍射干涉仪的波像差检测方法，包括以下步骤：

条纹对比度调节模块产生方向可调的线偏振光束并将光束入射到所述液晶点衍射模块中；

光束通过电光调制器后，所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度，光束通过所述聚焦透镜后聚焦到垂直线栅点衍射板上形成水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光，两束光入射到待测投影物镜后，携带了待测投影物镜的波像差并入射到液晶点衍射板上，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的微球衍射形成经过微球的水平方向线偏振光和经过微球的垂直方向线偏振光，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的液晶形成经过液晶的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光，改变所述液晶的电压，使得其中两束光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，其中经过微球的线偏振光为参考光，经过液晶的线偏振光为测量光，而其他光束无法相干，成为背景光；

通过波像差检测模块得到相差π/2的四幅相移图像，实现四步并行相移，并计算得到参考光和测量光之间的相位差，进而获取待测投影物镜的波像差。

可选的，待测投影物镜的波像差的计算过程如下：

偏振相机上的感光元件所接收到的光强值计算公式为：其中，参考光和测量光的光强分别为和，位相差为，微偏振片阵列中微偏振片单元的偏振方向为；

在微偏振片阵列中，每个像素中含有四个不同透振方向的微偏振片单元，透振方向分别是0、π/4、π/2、3π/4，一次曝光即可得到四幅相移图像，所述四幅相移图像的光强值计算公式为：由上面的公式得出参考光和测量光的相位差为：最后，由两束光的相位差即可获取待测投影物镜的波像差。

综上内容，本申请所述的液晶相移点衍射干涉仪及波像差检测方法具有如下优点：

1、本发明所述液晶相移点衍射干涉仪通过电光调制器、垂直线栅点衍射板和液晶点衍射板的配合使得整个系统共光路，抗振性能得到极大提升，受环境的影响非常小，从而大大提高了待测投影物镜波像差的测量精度；

2、本发明所述液晶相移点衍射干涉仪利用λ/2波片的转动调节参考光和测量光之间的强度比，增强干涉条纹的对比度，提高待测投影物镜的波像差测量精度；

3、本发明所述垂直线栅点衍射板可以达到很高的偏振对比度，允许极宽范围的入射角，使得干涉图的光强分布更均匀，进一步提高待测投影物镜的波像差测量精度；

4、本发明所述偏振相机一次曝光可以输出四幅不同相移的干涉图，实现了四步并行相移，可实现实时检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。

图1是本发明实施例液晶相移点衍射干涉仪的整体结构示意图；

图2是本发明实施例液晶相移点衍射干涉仪中液晶点衍射板的结构示意图；

图3是本发明实施例液晶相移点衍射干涉仪中偏振相机的结构示意图。

其中，图1中1为短相干激光光源，2为可调中性密度滤光片，3为偏振片，4为λ/2波片，5为电光调制器，6为聚焦透镜，7为垂直线栅点衍射板，8为待测投影物镜，9为液晶点衍射板，10为λ/4波片，11为成像透镜，12为偏振相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

以下实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不只局限该实施例。

实施例1：

一种液晶相移点衍射干涉仪，如图1所示，包括：

条纹对比度调节模块100、液晶点衍射模块200、波像差检测模块300，所述条纹对比度调节模块100、液晶点衍射模块200、波像差检测模块300沿光路依次放置，所述条纹对比度调节模块100、液晶点衍射模块200、波像差检测模块300共光路。

所述条纹对比度调节模块100包括短相干激光器1、可调中性密度滤光片2、偏振片3、λ/2波片4，所述短相干激光器1发出光束，可调中性密度滤光片2、偏振片3、λ/2波片4沿光路依次放置，用于产生条纹对比度可调的光束并将光束入射到所述液晶点衍射模块200中，所述成像系统光路中利用所述λ/2波片4的转动来调节参考光和测量光之间的强度比，增强干涉条纹的对比度。

所述液晶点衍射模块200包括：

电光调制器5、聚焦透镜6、垂直线栅点衍射板7、待测投影物镜8、液晶点衍射板9，所述电光调制器5、聚焦透镜6、垂直线栅点衍射板7、待测投影物镜8、液晶点衍射板9沿光路依次放置，所述液晶点衍射板9（如图2所示）包括液晶901和微球902，将作为衍射点的微球902嵌入到液晶901中心，所述微球902为可压缩塑料微球，所述垂直线栅点衍射板7的环形区域的线栅结构，其中中心为与周围环形区域垂直的线栅结构。

光束通过电光调制器5后，所述光束的水平分量被附加额外的光程，使得所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光器1的相干长度，光束通过所述聚焦透镜6后聚焦到垂直线栅点衍射板7上形成共光路的水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光，两束光入射到待测投影物镜8后，携带了待测投影物镜8的波像差并入射到液晶点衍射板9上，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板9的微球902衍射形成经过微球的水平方向线偏振光和经过微球的垂直方向线偏振光，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板9的液晶901形成经过液晶的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光，改变所述液晶901的电压，使得在液晶点衍射板9上经过微球902的水平方向线偏振光和经过液晶901的垂直方向线偏振光的光程差在短相干激光光器的相干长度以内，而其他光束无法相干，成为背景光，其中经过微球902的水平方向线偏振光为参考光，经过液晶901的垂直方向线偏振光为测量光。

所述波像差检测模块300包括：λ/4波片10、成像透镜11、偏振相机12，所述λ/4波片10、成像透镜11、偏振相机12沿光路依次放置，所述偏振相机12上集成了微偏振片阵列（如图3所示），微偏振片阵列的每个像素由透振方向相差π/4的四个微偏振片单元组成用于得到相差π/2的四幅相移图像，实现四步并行相移，并通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进而获取待测投影物镜8的波像差。

所述波像差的获取步骤包括：

经过微球902的水平方向线偏振光和通过液晶901的垂直方向线偏振光经过λ/4波片10后，分别成为参考光和测量光，并通过成像透镜11成像在偏振相机12上得到四幅相移图像，实现四步并行相移，通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进而得到参考光和测量光的相位差，进一步获取待测投影物镜8的波像差。

实施例2：一种波像差检测方法

一种波像差检测方法，其利用的干涉仪为实施例1中所述液晶相移点衍射干涉仪，包括以下步骤：

条纹对比度调节模块100产生方向可调的线偏振光束并将光束入射到所述液晶点衍射模块200中；

光束通过电光调制器5后，所述光束的水平分量被附加额外的光程，使得所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光器的相干长度，光束通过所述聚焦透镜6后聚焦到垂直线栅点衍射板7上形成共光路的水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光，两束光入射到待测投影物镜8后，携带了待测投影物镜8的波像差并入射到液晶点衍射板7上，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板9的微球902衍射形成经过微球的水平方向线偏振光和经过微球的垂直方向线偏振光，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板9的液晶901形成经过液晶的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光，改变所述液晶901的电压，使得在液晶点衍射板上经过微球的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，而其他光束无法相干，成为背景光，其中经过微球的水平方向线偏振光或经过微球的垂直方向线偏振光为参考光，经过液晶的垂直方向线偏振光或经过液晶的水平方向线偏振光为测量光；

通过波像差检测模块300得到相差π/2的四幅相移图像，实现四步并行相移，并通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进而获取待测投影物镜的波像差。

所述待测投影物镜8的波像差的计算过程如下：

偏振相机12上的感光元件所接收到的光强值计算方式为：其中，参考光和测量光的光强分别为和，位相差为，微偏振片阵列的微偏振片单元的透偏振方向为；

在微偏振片阵列中，每个像素中含有四个不同透振方向的微偏振片单元，透振方向分别是0、π/4、π/2、3π/4，一次曝光即可得到四幅相移图像，所述四幅相移图像的光强值计算公式为：由上面的公式得出参考光和测量光的相位差为：最后，由两束光的相位差即可获取待测投影物镜8的波像差。

综上，本发明通过电光调制器、垂直线栅点衍射板和液晶点衍射板的配合使得整个系统共光路，抗振性能得到极大提升，受环境的影响减小，从而提高了待测投影物镜的波像差测量精度，并且可以利用λ/2波片的转动调节参考光和测量光之间的强度比，增强干涉条纹的对比度，进一步提高待测投影物镜的波像差测量精度。

最后说明，任何依靠本专利装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本专利的相应技术方案，都属于本专利装置结构以及所述实施方案的专利范围明书内容。

Claims (10)

1.一种液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，包括：

条纹对比度调节模块、液晶点衍射模块、波像差检测模块，所述条纹对比度调节模块、液晶点衍射模块、波像差检测模块沿光路依次放置；

所述条纹对比度调节模块包括短相干激光光源，用于产生偏振方向可调的线偏振光束并将光束入射到所述液晶点衍射模块中；

所述液晶点衍射模块包括：

电光调制器、聚焦透镜、垂直线栅点衍射板、待测投影物镜、液晶点衍射板，所述电光调制器、聚焦透镜、垂直线栅点衍射板、待测投影物镜、液晶点衍射板沿光路依次放置，所述液晶点衍射板包括微球和液晶；

光束通过电光调制器后，所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度，光束通过所述聚焦透镜后聚焦到垂直线栅点衍射板上形成水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光，两束光入射到待测投影物镜后，携带了待测投影物镜的波像差并入射到液晶点衍射板上，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的微球衍射形成经过微球的水平方向线偏振光和经过微球的垂直方向线偏振光，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的液晶形成经过液晶的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光，改变所述液晶的电压，使得其中两束光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，所述经过微球的线偏振光为参考光，经过液晶的线偏振光为测量光，而其他光束无法相干，成为背景光；

所述波像差检测模块用于得到相差π/2的四幅相移图像，实现四步并行相移，并通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进而获取待测投影物镜的波像差。

2.如权利要求1所述的液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，所述条纹对比度调节模块还包括可调中性密度滤光片、偏振片、λ/2波片，所述短相干激光光源发出光束，可调中性密度滤光片、偏振片、λ/2波片沿光路依次放置，所述光路中利用所述λ/2波片的转动来调节参考光和测量光之间的强度比，增强干涉条纹的对比度。

3.如权利要求1所述的液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，所述垂直线栅点衍射板包括环形区域的线栅结构和其中心区域与周围环形区域垂直的线栅结构。

4.如权利要求1所述的液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，所述液晶点衍射板包括液晶和镶嵌进液晶中心的微球，所述微球为可压缩塑料微球。

5.如权利要求1所述的液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，光束通过电光调制器后，所述光束的垂直分量被附加额外的光程，使得所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度；改变所述液晶的电压，使得在液晶点衍射板上经过微球的垂直方向线偏振光和经过液晶的水平方向线偏振光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，而其他光束无法相干，成为背景光；或者光束通过电光调制器后，所述光束的水平分量被附加额外的光程，使得所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度；改变所述液晶的电压，使得在液晶点衍射板上经过微球的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，而其他光束无法相干，成为背景光。

6.如权利要求1所述的液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，所述条纹对比度调节模块、液晶点衍射模块、波像差检测模块共光路。

7.如权利要求1所述的液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，所述波像差检测模块包括λ/4波片、成像透镜、偏振相机，所述λ/4波片、成像透镜、偏振相机沿光路依次放置，所述偏振相机上集成了微偏振片阵列，微偏振片阵列的每个像素由透振方向相差π/4的四个微偏振片单元组成。

8.如权利要求7所述的液晶相移点衍射干涉仪，其特征在于，所述波像差的获取步骤包括：

经过微球的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光经过λ/4波片后，分别成为参考光和测量光，并通过成像透镜成像在偏振相机上得到四幅相移图像，实现四步并行相移，通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进一步获取待测投影物镜的波像差。

9.一种利用权利要求1所述的液晶相移点衍射干涉仪的波像差检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

条纹对比度调节模块产生方向可调的线偏振光束并将光束入射到所述液晶点衍射模块中；

光束通过电光调制器后，所述光束水平分量和垂直分量的光程差大于所述短相干激光光源的相干长度，光束通过所述聚焦透镜后聚焦到垂直线栅点衍射板上形成水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光，两束光入射到待测投影物镜后，携带了待测投影物镜的波像差并入射到液晶点衍射板上，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的微球衍射形成经过微球的水平方向线偏振光和经过微球的垂直方向线偏振光，所述水平方向的线偏振光和垂直方向的线偏振光通过液晶点衍射板的液晶形成经过液晶的水平方向线偏振光和经过液晶的垂直方向线偏振光，改变所述液晶的电压，使得其中两束光的光程差在短相干激光光源的相干长度以内，其中经过微球的线偏振光为参考光，经过液晶的线偏振光为测量光，而其他光束无法相干，成为背景光；

通过波像差检测模块得到相差π/2的四幅相移图像，实现四步并行相移，并通过计算得到参考光和测量光之间的相位差，进而获取待测投影物镜的波像差。

10.如权利要求9所述的液晶相移点衍射干涉仪的波像差检测方法，其特征在于，待测投影物镜的波像差的计算过程如下：

偏振相机上的感光元件所接收到的光强值计算公式为：其中，参考光和测量光的光强分别为和，位相差为，微偏振片阵列中微偏振片单元的偏振方向为；

在微偏振片阵列中，每个像素中含有四个不同透振方向的微偏振片单元，透振方向分别是0、π/4、π/2、3π/4，一次曝光即可得到四幅相移图像，所述四幅相移图像的光强值计算公式为：由上面的公式得出参考光和测量光的相位差为：最后，由两束光的相位差即可获取待测投影物镜的波像差。