一种用于点衍射干涉仪针孔对准的装置及方法与流程

本发明属于光学精密装调技术领域，具体涉及一种用于点衍射干涉仪针孔对准的装置及方法。

背景技术：

为了提高投影光刻物镜的分辨率及临界尺寸，光学系统波像差越来越趋向于达到衍射极限。极紫外光刻在波长为13～14nm的极紫外波段工作，要求光学系统的波像差小于1nmRMS，而EUVL投影物镜更是有极为苛刻的波像差要求，对于单个反射镜镜面的面形偏差需要达到0.25nmRMS，对光学加工和检测提出了前所未有的要求，即EUVL投影物镜光学元件的加工需要光学面性检测设备的检测精度达到深亚纳米级。

点衍射干涉仪(Point Diffraction Interferometer,PDI)利用针孔衍射产生的近乎理想的球面波作为参考波面，消除了传统干涉仪中参考面的影响，可以实现极高的检测精度，因此，点衍射干涉仪可以应用于极紫外光刻投影物镜中的光学元件和系统波像差的检测。

现有的利用点衍射干涉仪检测投影物镜波像差的技术，具体涉及一种检测光学系统波像差的移相点衍射干涉仪，包括物面针孔板、透射光栅、相面针孔板以及光点探测器。由物面针孔板上的针孔衍射产生理想的球面波，经透射光栅发生衍射，分振幅成多级衍射光，多级衍射光经过待测系统后汇聚于针孔板上，形成空间分布不重合的多个光斑，从而使得0级衍射光经过相面针孔板上的一个针孔经衍射产生理想球面波作为参考光，+1级(或-1级)衍射光经过相面针孔板上的一个窗后作为测试光，其它级次的衍射光被针孔板上不透明的部分遮挡，测试光和参考光在光点探测器上形成干涉条纹。

现有的利用点衍射干涉仪检测光学元件面形的技术，具体涉及一种检测元件面型的点衍射干涉仪，包括汇聚照明系统、针孔板以及光点探测器。由针孔衍射产生的近乎理想球面波分成两部分，一部分作为测试光经被检光学元件反射后，携带了被检光学元件的面形信息，再经针孔板反射后通过中继光学系统传播到光点探测器上；另一部分作为参考光直接经中继光学系统传播到光点探测器上。两路光干涉得到干涉图，加以适当的移相技术，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。

以上，无论是利用点衍射干涉仪检测投影物镜的波像差还是检测光学元件面形，都涉及到汇聚光波与针孔的精密对准，而针孔的轴向及径向位置失调均将降低衍射光强度，并增大针孔衍射产生的球面波波面误差，进而影响点衍射干涉仪的检测精度。

目前，基于实时傅里叶变换的干涉仪计算机辅助对准方法以及基于条纹对比度的点衍射干涉仪对准技术均只适用于检测系统波像差时的对准，由于点衍射干涉仪在检测系统波像差和检测元件面形偏差时结构不同，该对准技术均不适用于检测元件面形时的针孔对准。而现有的通过针孔板扫描与三个能量探测器实现精确对准及长期监测，需要针孔板扫描机构具有毫米量级的扫描范围和百纳米级的扫描分辨率，其研制成本较高，同时扫描步数多，耗时长。

技术实现要素：

为了解决点衍射干涉仪针孔的精密对准耗时长以及成本高的问题，本发明提供一种用于点衍射干涉仪针孔对准的装置和方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种用于点衍射干涉仪针孔对准的装置，包括第一激光器、激光扩束镜、第一分光棱镜、二分之一波片、第二分光棱镜、四分之一波片、聚焦镜、针孔板、三维调整机构、第二激光器、第二激光功率计、第一激光功率计、成像用后组镜头、CMOS相机以及计算机；

所述第一激光器发出线偏振激光，经过激光扩束镜扩束准直，再经过第一分光棱镜后，一部分激光发生透射，另一部分激光反射到第一激光功率计的靶面上；

发生透射的激光经过二分之一波片和第二分光棱镜后，全部透过并入射到四分之一波片，经过聚焦镜汇聚到针孔板上；

针孔板安置于三维调整机构上并由所述三维调整机构带动移动，经过针孔板的激光一部分衍射后被第二激光功率计接收，另一部分反射到聚光镜，经过四分之一波片、第二分光棱镜和成像用后组镜头后，汇聚在CMOS相机上；

所述第二激光器设置于针孔板的背面，用于发出高功率激光，并从针孔板的背面照明所述针孔板，以辅助针孔进行粗对准。

具体的，所述第二激光器的发射激光光束为毫米量级，功率为100mW。

具体的，所述四分之一波片将激光由线偏振光转变为圆偏振光，并将反射回的圆偏振光再转变为线偏振光，所述再转变得到的线偏振光的振动方向与最初的线偏振光的振动方向相比旋转90度。

一种用于点衍射干涉仪针孔对准的方法，包括以下步骤：

S1.1、打开第二激光器发射激光光束，激光光束直接照明针孔板后经过聚焦镜、四分之一波片、第二分光棱镜和成像用后组镜头到达CMOS相机，观察并记录在CMOS相机上看到的第一光点的位置P1；

S1.2、打开第一激光器发射激光光束、激光光束依次经过激光扩束镜、第一分光棱镜、二分之一波片、第二分光棱镜、四分之一波片和聚焦镜后汇聚至针孔板上，针孔板反射的光束通过聚光镜，经过四分之一波片、第二分光棱镜和成像用后组镜头后汇聚在CMOS相机上，观察CMOS相机上看到的第二个光点的位置，通过三维调整机构调整针孔板与聚焦镜之间的距离使得所述第二光点的光斑最小，记录所述第二光点的位置为P2；

S1.3、通过三维调整机构带动针孔板在二维平面移动，使得位于CMOS相机上的第一光点和第二光点位置重合。

进一步的，所述方法还包括以下步骤：

S2.1、关闭第二激光器，将第二激光功率计安置于针孔板的背面以探测针孔衍射光的功率；

S2.2、设定三维调整机构的扫描范围和分辨率；

S2.3、控制三维扫描机构在所述扫描范围内扫描一步；

S2.4、记录每扫描一步时第二激光功率计和第一激光功率计的测量数值及其比值；

S2.5、判断三维扫描机构的扫描是否完成，如果没有完成，重复S2.3-S2.4，如果完成，继续接下来的S2.6；

S2.6、根据第二激光功率计和第一激光功率计的测量数值及其比值，找到并将针孔板移动至比值最大时的扫描位置；

S2.7、重新设定三维调整机构并缩小所述三维调整机构的扫描范围和扫描分辨率；

S2.8、重复步骤S2.3-S2.6。

进一步的，所述方法还包括以下步骤：

S3.1、移除成像用后组镜头，使得针孔板反射的激光依次通过聚焦镜、四分之一波片以及第二分光棱镜后，直接照射到CMOS相机上；

S3.2、计算机实时探测并记录CMOS相机上光点的灰度级第一激光功率计的测量数值，通过两者的测量值比值调整三维调整机构的移动。

优选的，步骤S2.2中设定的三维调整机构的扫描范围为10μm×10μm，分辨率为1μm，扫描总点数为100。

优选的，步骤S2.7中设定的三维调整机构的扫描范围为1μm×1μm，分辨率为0.1μm，扫描总点数为100。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的针孔对准包括快速粗对准和精密对准两个过程，在粗对准阶段，通过聚焦镜和成像用后组镜头构成的成像系统将第二激光器照明针孔和第一激光器经聚焦镜后的汇聚光点分别成像在CMOS相机上，利用三维微调整机构调整针孔板位置，可以实现快速粗对准，整个过程直观便捷；在精密对准阶段，利用三维调整机构进行平面扫描，并实时记录每步扫描时第二激光功率计和第一激光功率计的测量数值及其比值，以找到最佳位置，只需两轮扫描就能实现0.1μm的精密对准，整个过程耗时短精度高。

【附图说明】

图1是本发明实施例1中用于点衍射干涉仪针孔对准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例3中的实现针孔精密对准的流程图。

其中，1-第一激光器；2-激光扩束镜；3-第一分光棱镜；4-二分之一波片；5-第二分光棱镜；6-四分之一波片；7-聚焦镜；8-针孔板；9-三维调整机构；10-第二激光器；11-第二激光功率计；12-第一激光功率计；13-成像用后组镜头；14-CMOS相机；15-计算机。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1所示，为实施例1中用于点衍射干涉仪针孔对准装置的结构示意图。该装置包括第一激光器1、激光扩束镜2、第一分光棱镜3、二分之一波片4、第二分光棱镜5、四分之一波片6、聚焦镜7、针孔板8、三维调整机构9、第二激光器10、第二激光功率计11、第一激光功率计12、成像用后组镜头13、CMOS相机14以及计算机15。

在本实施例中，用于点衍射干涉仪针孔对准装置的工作原理具体如下：

第一激光器1用于发出线偏振激光，激光扩束镜2对线偏振激光进行扩束准直，第一分光棱镜3的分光比使得大部分激光透射而少部分激光反射到第一激光功率计11的靶面上；

二分之一波片4可以改变激光的偏振方向，第二分光棱镜5为偏振分光棱镜，它与二分之一波片4配合使用使得通过二分之一波片4的偏振激光可以全部通过该第二分光棱镜5；

四分之一波片6可以将激光由线偏振光转变为圆偏振光，并将反射回的圆偏振光再转变为线偏振光，不过再转变得到的线偏振光的振动方向与最初的线偏振光的振动方向相比旋转了90度；

聚焦镜7用于将激光汇聚至针孔板8上，针孔板8上设置有针孔；

三维调整机构9与针孔板8固定连接，并用于带动安装在其上的针孔板8在三维空间做精密移动；

第二激光器10用于发出高功率激光，并从针孔板8的背面照明针孔，其照明光斑达到毫米量级，功率约为100mW，以辅助针孔进行粗对准；

在完成粗对准后，移走第二激光器10，并用第二激光功率计11探测针孔衍射的衍射光强，用于针孔的精密对准；

第一激光功率计12用于探测第一激光器1发出激光的功率波动情况，由于第一分光棱镜3的分光比为固定值，因此第一激光功率计12检测到的激光功率波动与第一激光器1的波动一致；

成像用后组镜头13与聚焦镜7构成成像系统并将针孔成像在CMOS相机14上，CMOS相机14用于快速粗对准以及长期监测针孔的对准状态，计算机15则用于记录第一激光功率计12及第一激光功率计11探测的功率并对获取的数据进行处理，以控制三维调整机构9进行运动。

具体的，照射到第一激光功率计12上的激光是由第一激光器1发出，依次经过激光扩束镜2的透射、第一分光棱镜3的反射，其探测到的功率值变化仅与第一激光器1的功率波动有关；照射到第二激光功率计11上的激光是由第一激光器1发出，依次经过激光扩束镜2、第一分光棱镜3、二分之一波片4、第二分光棱镜5、四分之一波片6、聚焦镜7以及针孔板8的透射，其探测到的功率值变化与第一激光器1的功率波动和针孔板8的衍射效率有关，受第一激光器1的功率波动和针孔板8的对准状态的综合影响。

实施例2

本实施例提供一种实现针孔微米量级粗对准的方法：

S1.1、首先打开第二激光器10，激光光束直接照明并通过位于针孔板8上的针孔，此时照明光斑较大，可以很容易的照明针孔，激光光束经过聚焦镜7、四分之一波片6、第二分光棱镜5和成像用后组镜头13后到达CMOS相机14，观察CMOS相机14上能看到的第一个光点O1，并记录该光点O1的位置为P1；

S1.2、打开第一激光器1，发射的激光依次通过激光扩束镜2、第一分光棱镜3、二分之一波片4、第二分光棱镜5、四分之一波片6和聚焦镜7后会聚照明在针孔板8上，针孔板8反射的光束依次通过聚焦镜7、四分之一波片6、第二分光棱镜5和成像用后组镜头13后汇聚在CMOS相机14上，观察CMOS相机14上能看到的第二个光点O2，通过三维调整机构9的横向移动，调整针孔板8与聚焦镜7之间的距离，以使得光点O2的光斑最小，并记录该光点O2的位置为P2；

S1.3、通过三维调整机构9在二维平面内移动，带动针孔板8的平面移动，使得位于CMOS相机14上的两个光点O1和O2重合，初步实现了第一激光器1聚焦照明在针孔上，根据聚焦镜7和成像用后组镜头13构成的成像系统的垂轴放大倍率，本实施例中的对准精度为微米量级。

实施例3

如图2所示，为本实施例提供的实现针孔精密对准的流程图：

S2.1、关闭第二激光器10，将第二激光功率计11安置于针孔板8的后面，并探测针孔衍射光的功率；

S2.2、设定三维调整机构9的扫描范围为10μm×10μm、扫描分辨率为1μm、扫描总点数为100；

S2.3、控制三维调整机构9在10μm×10μm的二维平面内扫描一步；

S2.4、记录每扫描一步时第二激光功率计11和第一激光功率计12的测量数值及其比值；

S2.5、判断三维调整机构9的扫描是否完成，如果没有完成，重复步骤2.3-2.4，如果完成，继续接下来的步骤2.6，本次设定步骤2.3-2.4需要重复执行100次；

S2.6、根据第二激光功率计11和第一激光功率计12的测量数值及其比值，找到比值最大时的扫描位置，并通过三维调整机构9的二维平面移动，调整到该位置；

S2.7、重新设定三维调整机构9的扫描范围为1μm×1μm、扫描分辨率为0.1μm，扫描总点数为100；

S2.8、控制三维调整机构9在1μm×1μm的二维平面内扫描一步；

S2.9、重复步骤S2.4-S2.6，针孔的精密对准完成。

在本实施例中，针孔精密对准流程是在计算机15的控制下完成的，计算机15控制三维调整机构9进行三维空间内的扫描，并记录第二激光功率计11和第一激光功率计12探测的功率值及其比值，以描绘功率值比值与针孔的位置关系。第二激光功率计11和第一激光功率计11的功率比值反映出针孔的衍射效率，该比值越大，说明针孔的衍射效率越高，针孔的对准也越精确。

实施例4

本实施例提供一种实时监测针孔对准状态的方法，具体步骤如下所示：

S3.1、移除成像用后组镜头13，使得针孔板8反射的激光依次通过聚焦镜7、四分之一波片6以及第二分光棱镜5后，直接照射到CMOS相机14上；

S3.2、计算机15实时探测并记录CMOS相机14上光点的灰度及第一激光功率计12的功率，通过两者测量值比值可以实现长期的实时监测针孔对准状态。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于上述说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。