DE10224317A1

DE10224317A1 - Verfahren zur Kalibrierung eines Radienprüfplatzes

Info

Publication number: DE10224317A1
Application number: DE10224317A
Authority: DE
Inventors: Rolf Freimann
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-12-11
Also published as: US7154612B2; US20030223081A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Kalibrierung eines Radienprüfplatzes zum Messen von Radien von optischen Elementen, insbesondere von Linsen und Kugelspiegeln, ist ein Beleuchtungssystem 1, das seine Kugelwelle erzeugt und ein diffraktives optisches Element 3 vorgesehen, das eine Kugelwelle eines bestimmten Radius in sich zurückreflektiert. Das diffraktive optische Element 3 wird in mindestens zwei Positionen in den Radienprüfplatz eingebracht, wobei davon eine erste Position eine Katzenaugenstellung 4 und eine andere Position eine Autokollimationsstellung ist, wonach unter Verwendung des von dem diffraktiven optischen Elements 3 simulierten Krümmungsradius Abweichungen des Radienprüfplatzes von diesem Krümmungsradiums als Fehler des Radienprüfplatzes erkannt und somit bei Messungen von zu prüfenden optischen Elementen berücksichtigt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Radienprüfplatzes zum Messen von Radien von optischen Elementen, insbesondere von Linsen und Kugelspiegeln.

Zur Prüfung der Krümmungsradien von sphärischen Linsen und Kugelspiegeln sind sogenannte Radienprüfplätze bekannt. Dabei wird der Prüfling in Reflexion in eine von einem Interferometer ausgesandte Kugelwelle gestellt. Zur Überprüfung des Krümmungsradius wird der Prüfling einmal in einer Autokollimationsstellung und einmal in der Katzenaugenstellung (Fokusstellung) positioniert, wobei jeweils die sphärische Welle in sich zurückläuft. Der Abstand der beiden Positionen ist dann der gesuchte Krümmungsradius. Voraussetzung für eine möglichst exakte Messung ist jedoch ein sehr genauer Radienprüfplatz bzw. die Kenntnis von unvermeidlichen Fehlern des Radienprüfplatzes, um diese bei der Messung des Prüflings später berücksichtigen zu können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem man die Meßgenauigkeit eines Radienprüfplatzes feststellen kann, um eventuelle Fehler später bei der Prüfung von Krümmungsradien von Linsen und Spiegeln mit gekrümmten Oberflächen berücksichtigen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Beleuchtungssystem gelöst, das eine Kugelwelle erzeugt, und mit einem diffraktiven optischen Element, das eine Kugelwelle eines bestimmten Radius in sich zurückreflektiert, wobei das diffraktive optische Element in mindestens zwei Positionen in den Radienprüfplatz eingebracht wird, wobei eine erste Position davon eine Katzenaugenstellung und eine andere Position eine Autokollimationsstellung ist, wonach unter Verwendung des von dem diffraktiven optischen Elements simulierten Krümmungsradius Abweichungen des Radienprüfplatzes von diesem Krümmungsradius als Fehler des Radienprüfplatzes erkannt und somit bei Messungen von zu prüfenden optischen Elementen berücksichtigt werden können.

Erfindungsgemäß wird zur Kalibrierung des Radienprüfplatzes ein diffraktives optisches Element (DOE) als Radiennormal verwendet, welches sehr geringe rotationssymmetrische Fehler besitzt. Da das diffraktive optische Element erfindungsgemäß so ausgelegt ist, daß es eine Kugelwelle in sich zurückreflektiert, wird auf diese Weise ein Kugelspiegel mit sehr genau bekanntem Radius simuliert. Zur Überprüfung des Radienprüfplatzes wird dann das auf diese Weise geschaffene Radiennormal in die Autokollimations- und in die Katzenaugenstellung der von dem Beleuchtungssystem erzeugten Kugelwelle in dem Radienprüfplatz einjustiert. Der dabei gemessene Verschiebeweg zwischen den beiden Stellungen entspricht dem Radienmeßergebnis im Vergleich mit dem sehr präzisen bekannten Radius des Radiennormals. Auf diese Weise werden Meßfehler des Radienprüfplatzes ermittelt.

Die Prüfmessung zur Kalibrierung des Radienprüfplatzes kann grundsätzlich auf zwei Verfahrensarten erfolgen. Eine erste Möglichkeit besteht dabei darin, daß man das Radiennormal aus der Autokollimationsstellung um den dem Sollradius entsprechenden Verschiebeweg verschiebt und überprüft, ob man sich damit in der Katzenaugenstellung des Radienprüfplatzes befindet. Bei der zweiten Methode wird das Radiennormal von der Autokollimationsstellung in die Katzenaugenstellung gefahren, der Verschiebeweg gemessen und mit dem Sollradius des Radiennormales verglichen. In beiden Fällen ergibt sich aus den ermittelten Abweichungen der Fehler der Meßplatz, welcher anschließend bei der Vermessung von Prüflingen entsprechend berücksichtigt werden kann.

In einer sehr vorteilhaften Weise verwendet man als Beleuchtungssystem einen Laser als Lichtquelle und ein Interferometer, wobei Fehler des Radienprüfplatzes im Interferometer im Vergleich der aus dem Beleuchtungssystem ausgegangenen Kugelwelle mit der rückreflektierten Kugelwelle bestimmt werden.

Als diffraktives optisches Element läßt sich in sehr vorteilhafter Weise ein computergeschriebenes Hologramm (CGH) verwenden, das auf einem x-y-Schreiber geschrieben ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Radienprüfplatzes,
Fig. 2 eine weitere Darstellung eines Radienprüfplatzes für ein CGH-Radienabsolutnormal,
Fig. 3 Bestimmung von R_SUBSTRAT, und
Fig. 4 Bestimmung von R_NORMAL
Fig. 1 zeigt einen Radienprüfplatz, der zum Messen von Radien von optischen Elementen, wie z. B. Linsen und Kugelspiegeln, dient. Dieser Prüfplatz soll kalibriert werden. Hierzu wird ein Laser-Interferometer 1 als Beleuchtungssystem, das eine Kugelwelle erzeugt, verwendet. Selbstverständlich kann auch eine Punktlichtquelle verwendet werden, die über einen nachgeschalteten Kollimator ebenfalls eine Kugelwelle erzeugt. In einem in der Zeichnung nur prinzipmäßig dargestellten Objektiv 2 wird aus einem parallelen Strahl ein konvergenter Strahl erzeugt. Zwischen dem Interferometer 1 und dem Objektiv 2 befindet sich im Strahlengang noch eine Referenzfläche 1a. Zur Kalibrierung des Radienprüfplatzes wird nun ein computergeschriebenes Hologramm (CGH) als diffraktives optisches Element (DOE) verwendet, das eine Kugelwelle in sich zurückreflektiert. Nachfolgend wird das computergeschriebene Hologramm kurz als "CGH-Radiennormal" bezeichnet. Derartige CHG-Radiennormale mit ihren Kreisen lassen sich sehr präzise fertigen, d. h. sie "simulieren" einen Kugelspiegel mit einem sehr exakten Krümmungsradius. Herkömmliche Einrichtungen positionieren einen Schreibstrahl mit Maßstabsfehlern von < 1 ppm, wodurch z. B. die Ringradien eines in-line CGH mit durchschnittlich dieser Unsicherheit gefertigt werden können. Legt man nun erfindungsgemäß das CGH-Radiennormal so aus, daß es eine Kugelwelle in sich zurückreflektiert, so simuliert es einen Kugelspiegel mit sehr genau bekanntem Radius.
Zur Überprüfung des Radienprüfplatzes wird das CGH-Radiennormal 3 einmal in Autokollimationsstellung gebracht und einmal in die Katzenaugenstellung 4 (gestrichelte Darstellung in der Figur). Zur Kalibrierung bzw. zur Feststellung der Genauigkeit des Radienprüfplatzes gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, nämlich:

1. Das CGH-Radiennormal wird zuerst in die extrafokale Autokollimationsstellung gebracht. Anschließend wird ein Verschiebeweg R durchgeführt, der dem bekannten Radius der von dem CGH-Radiennormal simulierten Kugelwelle entspricht. Nach Ausführung des Verschiebewegs R wird kontrolliert, ob die Katzenaugenstellung 4 des Objektives 2, nämlich der Fokus, erreicht worden ist. Abweichungen von der Katzenaugenstellung 4, welche in dem Interferometer festgestellt wird, zeigen somit den Fehler des Radienprüfplatzes auf. Dieser Fehler kann später bei einer Messung von Prüflingen entsprechend berücksichtigt werden.
2. Es wird von der Autokollimationsstellung exakt in die Katzenaugenstellung 4 verfahren, wobei der Verschiebeweg R' gemessen wird. Der durchgeführte Verschiebeweg R' wird mit dem Soll-Verschiebeweg R, der dem Sollradius des CGH-Radiennormalen 3 entspricht, verglichen. Abweichungen zwischen dem Verschiebeweg R und R' zeigen hier wiederum den Fehler des Radienprüfplatzes auf.

Zur Messung kann das CGH-Radiennormal nicht nur in der +1- Beugungsordnung, sondern auch in der -1-Beugungsordnung betrieben werden. Auf diese Weise erhält man zusätzlich vor der Katzenaugenstellung 4 zwischen dieser und dem Objektiv 2 noch eine intrafokale Autokollimationsposition. Durch ein Vermessen in der intrafokalen und der extrafokalen Autokollimationsposition kann man die Meßgenauigkeit noch weiter erhöhen. Dies wird nachfolgend näher ausgeführt.
Als CGH-Radiennormal 3 läßt sich ein in-line-Typ oder auch ein off-axis-Typ verwenden. Der Vorteil eines off-axis-Types liegt darin, daß man eventuell störende Beugungsordnungen besser ausblenden kann. Gleichzeitig kann man auf diese Weise die Meßgenauigkeit sowohl für Hohlspiegel als auch für erhabene Spiegel mit einem einzigen CGH-Radiennormal überprüfen.
Ebenso ist es auch möglich, den Verschiebeweg zwischen den erwähnten intra- und extrafokalen Autokollimationspositionen zu messen und danach zu prüfen, ob die Katzenaugenposition tatsächlich exakt in der Mitte liegt. Auf diese Weise lassen sich systematische Fehler beim Anfahren der Katzenaugenposition 4 erkennen.
Bei der Messung mit dem CGH-Radiennormal 3 können beliebige Beugungsordnungen benutzt werden. In der Regel wird man jedoch in der ersten Beugungsordnung arbeiten. Von Vorteil ist es, wenn man bei dem CGH-Radiennormal in der Mitte das Substrat des CGH frei läßt, um den Katzenaugenreflex ungestört zu erhalten. Alternativ hierzu könnte man aber auch gezielt Schichten zur Verbesserung der Meßgenauigkeit in der Katzenaugenposition aufbringen.
Wenn man CGH-Radiennormale mit verschiedenen simulierten Radien fertigt, kann man den Meßbereich eines Radienprüfplatzes optimal abdecken.
In vorteilhafter Weise wird man das CGH-Radiennormal 3 auf Quarzglas oder Zerodur aufbringen, um thermische Effekte zu vermeiden. Wenn es in Form einer Chrommaske 5 auf einen Wafer 6 geschrieben ist, so sollte man diesen auf einen festen Träger 7 aufbringen oder aufkitten, damit eine größere Stabilität erreicht wird.
Das CGH-Radiennormal 3 wird man - wie erwähnt - im allgemeinen auf einem x-y-Schreiber schreiben; gegebenenfalls reicht jedoch auch ein hochgenauer Rotationsplotter. Mit einem CGH-Radiennormal 3 läßt sich ein Radienprüfplatz sehr exakt kalibrieren bzw. dessen Prüfplatzfehler äußerst exakt bestimmen. Verwendet man z. B. ein CGH-Radiennormal mit einem Durchmesser von 100 mm und einem Radius des simulierten Kugelspiegels von R = 300 mm, so ergibt sich eine Skalierungsunsicherheit von maximal 1 ppm bei einer Unsicherheit für R von ±0,6 µm. Eine Wellenlängenunsicherheit von max. 1 ppm ergibt eine Unsicherheit für R von ±0,3 µm. Eine Fokusierunsicherheit von λ/100 am Substratrand des CGH erzeugt eine Unsicherheit von R von ±0,4 µm. Die Wurzel aus der quadratischen Summe der Unsicherheiten für R ist somit ±0,8 µm. Dies entspricht einem ΔR/R² = 0,9 × 10^-8 mm^-1.
Bisher wurde davon ausgegangen, daß das CGH-Radiennormal so genau gefertigt wurde, daß es einen Kugelspiegel mit sehr genau bekanntem Krümmungsradius simuliert. Im folgenden wird in Fig. 2 das Meßverfahren so erweitert, daß man auch mit weniger genau gefertigten CGH-Strukturen arbeiten und trotzdem genau messen kann. Dazu wird der Radius des simulierten Kugelspiegels, von nun an R_PATTERN genannt, im Radienprüfplatz gemessen. (Bei einem ungenau gefertigten CGH-Radiennormal wird R_PATTERN vom Sollradius des simulierten Kugelspiegels abweichen.) Zur Messung von R_PATTERN wird das CGH-Radiennormal einmal intrafokal und einmal extrafokal in Autokollimation in den Radienprüfplatz eingebracht. In beiden Fällen wird es entlang der z-Achse so justiert, daß im Interferogramm möglichst kein Defokus auftritt. Der Verschiebeweg zwischen beiden Positionen wird gemessen und liefert R_PATTERN
Wie erwähnt, kann das CGH-Substrat aufgrund von Polierfehlern leicht durchgebogen sein, also einen Krümmungsradius R_SUBSTRAT aufweisen. Dieser verfälscht den Radius R_NORMAL des simulierten Kugelspiegels. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann man R_SUBSTRAT mit bekannten Methoden messen, beispielsweise auch über eine interferometrische Messung des Oberflächen-Defokus Z4 (Zernike- Koeffizient des Defokus). Aus Z4 läßt sich R_SUBSTRAT leicht berechnen (siehe Fig. 3).
In einem dritten Schritt werden aus den so bestimmten Werten von R_PATTERN und R_SUBSTRAT die aktuell wirksamen Radien R intra|NORMAL und R extra|NORMAL des CGH-Radiennormals in intra- und extrafokaler Position berechnet (siehe Fig. 4). Diese Werte werden bei der anfänglich geschilderten Kalibrierung des Radienprüfplatzes anstelle des Sollradius benutzt, wodurch die Meßgenauigkeit verbessert wird.
Die beiden aktuell wirksamen Radien werden durch dieses Verfahren auf absolut meßbare Größen wie Verschiebeweg und Substratdefokus zurückgeführt. Deshalb ist das CGH-Radiennormal nun ein CGH-Radienabsolutnormal.
Die Messung der Verschiebewege kann auf verschiedene Weise, z. B. mit einem Laser-Weglängen-Interferometer, vorgenommen werden. Dabei sollte man bei der Verschiebewegmessung auch die Lufttemperatur und den Luftdruck messen, um bei deren Berücksichtigung eine Erhöhung der Meßgenauigkeit zu erreichen.
Auch etwaige CGH-Schreibfehler, welche zu Abweichungen des simulierten Kugelspiegelradiuses vom Sollwert führen, können durch eine Vermessung des Verschiebeweges zwischen intra- und extrafokaler Autokollimationsposition festgestellt und bei der nachfolgenden Kalibrierung des Radienprüfplatzes berücksichtigt werden.
Von Vorteil ist es auch, wenn ein CGH-Substratradius separat gemessen und dann bei der Bestimmung der aktuell wirksamen Radien des simulierten Kugelspiegels berücksichtigt wird.

Claims

1. Verfahren zur Kalibrierung eines Radienprüfplatzes zum Messen von Radien von optischen Elementen, insbesondere von Linsen und Kugelspiegeln, mit einem Beleuchtungssystem (1), das eine Kugelwelle erzeugt und mit einem diffraktiven optischen Element (3), das eine Kugelwelle eines bestimmten Radius in sich zurückreflektiert, wobei das diffraktive optische Element (3) in mindestens zwei Positionen in den Radienprüfplatz eingebracht wird, wobei eine erste Position davon eine Katzenaugenstellung (4) und eine andere Position eine Autokollimationsstellung ist, wonach unter Verwendung des von dem diffraktiven optischen Elements (3) simulierten Krümmungsradius Abweichungen des Radienprüfplatzes von diesem Krümmungsradius als Fehler des Radienprüfplatzes erkannt und somit bei Messungen von zu prüfenden optischen Elementen berücksichtigt werden können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beleuchtungssystem (1) ein Laser als Lichtquelle und ein Interferometer verwendet werden, wobei Fehler des Radienprüfplatzes im Interferometer im Vergleich der aus dem Beleuchtungssystem ausgesandten Kugelwelle mit der rückreflektierten Kugelwelle bestimmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Position in der Katzenaugenstellung (4) das diffraktive optische Element (3) in die intrafokale und in die extrafokale Autokollimationsstellung gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als diffraktives optisches Element (3) ein computergeschriebenes Hologramm (CGH) verwendet wird, das auf einem x-y- Schreiber geschrieben ist

5. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das computergeschriebene Hologramm in Form einer Chrommaske (5) auf einem Wafer (6) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (6) mit einem Träger (7) verbunden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß etwaige CGH-Schreibfehler, welche zu Abweichungen des simulierten Kugelspiegelradius vom Sollwert führen, durch eine Vermessung des Verschiebeweges zwischen intra- und extrafokaler Autokollimationsposition festgestellt und bei der nachfolgenden Kalibrierung des Radienprüfplatzes berücksichtigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Verschiebewege mit einem Laser-Weglängeninterferometer gemessen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verschiebewegmessung Lufttemperatur und -druck zur Verbesserung der Meßgenauigkeit gemessen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein CGH-Substratradius separat gemessen und bei der Bestimmung der aktuell wirksamen Radien des simulierten Kugelspiegels berücksichtigt wird.