本发明涉及光学测量
技术领域：
：，具体涉及一种采用夏克‐哈特曼法进行深紫外光学系统波像差的检测装置和方法。
背景技术：
：：在科学研究领域和工业领域，工作于深紫外波段的光学系统起着越来越重要的作用，如半导体微光刻用的投影光学系统、半导体工业中所使用的观察系统、微纳结构制造过程中所使用的紫外光学系统等等，这些工作在深紫外波段的光学系统通常要求具有极小的波像差(几个纳米量级)。因此，这些光学系统系统在加工、集成及工作的各个环节都要进行波像差检测。深紫外光学系统波像差检测方法主要有基于光干涉原理和基于夏克‐哈特曼波前传感器两种方法。基于光干涉原理的方法包括衍射型的点衍射干涉仪(PDI)和线衍射干涉仪(LDI)，剪切型的横向剪切干涉仪(LSI)、双光栅剪切干涉仪(DLSI)、交叉光栅剪切干涉仪(CGLSI)和数字泰伯干涉仪(DTI)。基于夏克‐哈特曼波前传感器的方法主要是Nikon公司采用的iPot。美国专利US6975387、US6914665和文献《PortablephasemeasuringinterferometerusingShack‐Hartmannmethod》(Proc.SPIE,2003,5038:726～732)给出了采用夏克‐哈特曼波前传感器测量深紫外光刻物镜波像差的装置及测量方法，但是该装置需要大数值孔径的准直物镜，给波像差检测带来了困难。中国专利CN1016092668通过在掩模台上集成主机和第一标准镜，在硅片台上集成第二标准镜，有效克服了大数值孔径准直物镜所带来的困难，但该系统的能量利用率、信噪比、检测精度都有待提高。技术实现要素：为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种深紫外光学系统波像差检测装置，可以实现深紫外光学系统集成装调过程中系统波像差的快速高精度检测。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明公开一种深紫外光学系统波像差检测装置，其特征在于，该装置包括准分子激光器(1)、能量控制器(2)、平凹柱面镜(3)、平凸柱面镜(4)、分束镜(5)、能量探测器(6)、第一平面反射镜(7)、衍射光学元件(8)、傅里叶透镜(9)、第一准直物镜(10)、第一1/4波片(11)、第一1/2波片(12)、第二平面反射镜(13)、第一聚焦物镜(14)、小孔板(15)、第二准直物镜(16)、第二1/2波片(17)、偏振分光棱镜(18)、第二1/4波片(19)、第二聚焦物镜(20)、待测深紫外光学系统(21)、球面反射镜(22)、第一中继镜(23)、第二中继镜(24)和夏克‐哈特曼波前传感器(25)；其中，准分子激光器(1)出射的狭长矩形光斑经能量控制器(2)后得到能量大小适宜的矩形光斑，经平凹柱透镜(3)和平凸柱透镜(4)后，成为方形光斑，方形光斑经过分束镜(5)后分成两个部分，一部分经分束镜(5)反射后进入探测器(6)，另一部分透过分束镜(5)后，通过第一平面反射镜(7)反射，传输到衍射光学元件(8)，在傅里叶透镜(9)的焦面上得到能量均匀分布的圆形光斑，该圆形光斑经第一准直物镜(10)后成为平行光束，该平行光束分别经过第一1/4波片(11)和第一1/2波片(12)后得到P偏振光，经第二平面反射镜(13)反射后，被第一聚焦物镜(14)聚焦到小孔板(15)上，从小孔板(15)出射的波前经第二准直物镜(16)准直后，通过第二1/2波片(17)调整偏振方向，得到P偏振光，该P偏振光分别经过偏振分光棱镜(18)和第二1/4波片(19)后成为圆偏振光，经过第二聚焦物镜(20)聚焦后进入待测深紫外光学系统(21)，然后通过球面反射镜(22)反射后再一次进入待测深紫外光学系统(21)，经第二聚焦物镜(20)和第二1/4波片(19)后成为S偏振光，S偏振光经偏振分光棱镜(18)反射后，进入第一中继镜(23)和第二中继镜(24)，最后在夏克‐哈特曼波前传感器(25)的探测面上得到光斑阵列，由光斑阵列的位置信息计算得待测深紫外光学系统(21)的波像差信息。优选地，所述衍射光学元件(8)在两个正交方向上具有不同的发散角，用于将第一平面反射镜(7)反射得到的能量分布不均匀的方形光斑转换成能量分布均匀的圆形光斑。优选地，所述傅里叶透镜(9)的后焦面和第一准直物镜(10)的前焦面重合，且和第一聚焦物镜(14)的后焦面共轭。优选地，所述小孔板(15)位于第一聚焦物镜(14)的后焦面上，小孔板(15)所在平面与第二聚焦物镜(20)后焦面、夏克‐哈特曼波前传感器(25)探测面共轭。优选地，所述小孔板(15)是通过刻蚀介质掩模上的介质膜得到的，其激光损伤阈值可达3J/cm2。优选地，所述小孔板(15)包括熔石英或氟化钙基底(151)、在所述熔石英或氟化钙基底(151)上交叠镀制的多层低折射率材料(152)和多层高折射率材料(153)，其最外面一层是低折射率材料(152)，其厚度为工作波长的一半；所述小孔板(15)还包括小孔(154)，所述小孔(154)是通过刻蚀所述交叠镀制的多层低折射率材料(152)和多层高折射率材料(153)形成的。优选地，其特征在于，所述第二聚焦物镜(20)为像方远心，其出瞳位置和待测深紫外光学系统(21)的入瞳位置重合。优选地，所述球面反射镜(22)，其数值孔径比待测深紫外光学系统(21)的数值孔径大，其表面镀有深紫外波段专用的高反射膜。一种深紫外光学系统波像差检测方法，其采用上述的深紫外光学系统波像差检测装置，所述方法包括以下步骤：(1)、调整平凹柱面镜(3)和平凸柱面镜(4)的间距，使从平凸柱面镜(4)后出射的光斑形状为方形；(2)、旋转衍射光学元件(8)，使得在傅里叶透镜(9)的后焦面上获得能量均匀分布的圆形光斑；(3)、调整第一聚焦物镜(14)的位置，使从小孔板(15)出射的光束能量最大，调整小孔板(15)的位置，使其位于第二准直物镜(16)的后焦面上；(4)、旋转第一1/4波片(11)、第一1/2波片(12)、第二1/2波片(17)和第二1/4波片(19)，使夏克‐哈特曼波前传感器(25)探测面上的能量最大；(5)、测量球面反射镜(22)在初始位置、旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°位置及平移位置时的波前T0(x,y)、T45(x,y)、T90(x,y)、T135(x,y)、T180(x,y)、T225(x,y)、T270(x,y)和T315(x,y)及TShift(x,y)，计算球面反射镜(22)的面形误差F(x,y)；(6)、将球面反射镜(22)放置于第二聚焦物镜(20)下方，使球面反射镜(22)的曲率中心和第二聚焦物镜(20)的后焦点重合，测量球面反射镜(22)在初始位置、旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°位置及平移位置的波前T′0(x,y)、T′45(x,y)、T′90(x,y)、T′135(x,y)、T′180(x,y)、T′225(x,y)、T′270(x,y)和T′315(x,y)及T′Shift(x,y)，计算此时球面反射镜(22)的面形误差F′(x,y)，计算得系统误差Wsystem为Wsystem(x,y)＝T′0(x,y)‐2F′(x,y)；(7)、计算待测深紫外光学系统(21)的波像差WPO为：WPO＝T0(x,y)‐Wsystem(x,y)‐2F(x,y)；(8)、移动第二聚焦物镜(20)到待测深紫外光学系统(21)的其他视场点上，调整球面反射镜(22)到相应位置，重复步骤(7)，直到完成所有视场点处的波像差测量。优选地，所述球面反射镜(22)的面形误差通过旋转‐平移法进行标定。与现有技术相比，本发明提供的深紫外光学系统波像差检测装置，通过在深紫外光学系统物面上放置共轭成像模块及夏克‐哈特曼波前传感器，在深紫外光学系统像面上放置球面反射镜实现深紫外光学系统波像差的检测。本发明通过一个两个正交方向上具有不同的发散角的衍射光学元件便可实现准分子激光的匀化，使到达夏克‐哈特曼波前传感器探测面上的光斑更加的均匀；利用介质掩膜上刻蚀小孔提高了小孔板的激光损伤阈值，极大提高了检测系统的能量利用率，提高了检测系统的信噪比；通过在工作波长下的旋转‐平移实现球面反射镜面形误差的高精度在线标定，避免了离线标定前后，球面反射镜面形误差的变化。本发明的装置和方法均有利于提高深紫外光学系统波像差的检测精度，可以实现深紫外光学系统集成装调过程中系统波像差的快速高精度检测。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本发明所述的深紫外光学系统波像差检测装置的示意图；图2为本发明所述的深紫外光学系统波像差检测装置中小孔板的结构图；图3为旋转‐平移法标定球面反射镜面形误差的原理示意图。附图标记说明深紫外光学系统波像差检测装置包括：1、准分子激光器，2、能量控制器，3、平凹柱面镜，4、平凸柱面镜，5、分束镜，6、能量探测器，7、第一平面反射镜，8、衍射光学元件，9、傅里叶透镜，10、第一准直物镜，11、第一1/4波片，12、第一1/2波片，13、第二平面反射镜，14、第一聚焦物镜，15、小孔板，16、第二准直物镜，17、第二1/2波片，18、偏振分光棱镜，19、第二1/4波片，20、第二聚焦物镜，21、待测深紫外光学系统，22、球面反射镜，23、第一中继镜，24、第二中继镜，25、夏克‐哈特曼波前传感器。小孔板15包括：151、熔石英或氟化钙基底，152、低折射率材料，153、高折射率材料，154、小孔具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。下面将结合附图对本发明实施例进行详细描述。如图1所示，本发明所述的深紫外光学系统波像差检测装置包括准分子激光器(1)、能量控制器(2)、平凹柱面镜(3)、平凸柱面镜(4)、分束镜(5)、能量探测器(6)、第一平面反射镜(7)、衍射光学元件(8)、傅里叶透镜(9)、第一准直物镜(10)、第一1/4波片(11)、第一1/2波片(12)、第二平面反射镜(13)、第一聚焦物镜(14)、小孔板(15)、第二准直物镜(16)、第二1/2波片(17)、偏振分光棱镜(18)、第二1/4波片(19)、第二聚焦物镜(20)、待测深紫外光学系统(21)、球面反射镜(22)、第一中继镜(23)、第二中继镜(24)和夏克‐哈特曼波前传感器(25)。其中，准分子激光器(1)出射的狭长矩形光斑经能量控制器(2)后得到能量大小适宜的矩形光斑，经平凹柱透镜(3)和平凸柱透镜(4)后，成为方形光斑，方形光斑经过分束镜(5)后分成两个部分，一部分经分束镜(5)反射后进入探测器(6)，另一部分透过分束镜(5)后，通过第一平面反射镜(7)反射，传输到衍射光学元件(8)，在傅里叶透镜(9)的焦面上得到能量均匀分布的圆形光斑，该圆形光斑经第一准直物镜(10)后成为平行光束，该平行光束分别经过第一1/4波片(11)和第一1/2波片(12)后得到P偏振光，经第二平面反射镜(13)反射后，被第一聚焦物镜(14)聚焦到小孔板(15)上，从小孔板(15)出射的波前经第二准直物镜(16)准直后，通过第二1/2波片(17)调整偏振方向，得到P偏振光，该P偏振光分别经过偏振分光棱镜(18)和第二1/4波片(19)后成为圆偏振光，经过第二聚焦物镜(20)聚焦后进入待测深紫外光学系统(21)，然后通过球面反射镜(22)反射后再一次进入待测深紫外光学系统(21)，经第二聚焦物镜(20)和第二1/4波片(19)后成为S偏振光，S偏振光经偏振分光棱镜(18)反射后，进入第一中继镜(23)和第二中继镜(24)，最后在夏克‐哈特曼波前传感器(25)的探测面上得到光斑阵列，由光斑阵列的位置信息计算得待测深紫外光学系统(21)的波像差信息。上述衍射光学元件(8)在两个正交方向上具有不同的发散角，能够将第一平面反射镜(7)反射得到的能量分布不均匀的方形光斑转换成能量分布均匀的圆形光斑。所述傅里叶透镜(9)的后焦面和第一准直物镜(10)的前焦面重合，且和第一聚焦物镜(14)的后焦面共轭。装置中的第二聚焦物镜(20)为像方远心，其出瞳位置和待测深紫外光学系统(21)的入瞳位置重合。如图2所示，为本发明所述的深紫外光学系统波像差检测装置中小孔板(15)的结构图。小孔板(15)是通过刻蚀介质掩模上的介质膜得到的，其激光损伤阈值可达3J/cm2。小孔板(15)由熔石英或氟化钙基底(151)、低折射率材料(152)(如氟化镁MgF2)、高折射率材料(153)(如氟化镧LaF3)和小孔(154)组成，从所述熔石英或氟化钙基底(151)上开始分别镀制低折射率材料(152)、高折射率材料(153)、低折射率材料(152)、……、高折射率材料(153)、低折射率材料(152)，且最外面的一层低折射率材料(152)其厚度为工作波长的一半。所述小孔(154)是通过刻蚀低折射率材料(152)和高折射率材料(153)后形成的。小孔板(15)上的小孔(154)，其直径大小d根据下式确定：其中D为夏克‐哈特曼波前传感器(25)中单个微透镜元在探测面上得到的爱里斑直径大小，fMLA为单个微透镜元的焦距，fCOL为第二准直物镜(16)的前焦距大小。该小孔板位于第一聚焦物镜(14)的后焦面上，小孔板(15)所在平面与第二聚焦物镜(20)后焦面、夏克‐哈特曼波前传感器(25)探测面共轭。本发明装置中的球面反射镜(22)其数值孔径比待测深紫外光学系统(21)的数值孔径大，其表面镀有深紫外波段专用的高反射膜。如图3所示，为采用旋转‐平移法进行球面反射镜(22)面形误差标定的原理示意图。其中图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)和(h)分别为球面反射镜(22)位于初始位置、旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°位置的情况，图3(i)为球面反射镜(22)相对初始位置平移s后的位置。具体标定过程如下：设球面反射镜(22)的面形误差为F(x,y)，球面反射镜(22)引起的波像差为W(x,y)，Wsym(x,y)和WAsym(x,y)分别表示球面反射镜(22)波像差W(x,y)的旋转对称部分和非旋转对称部分，V(x,y)为除球面反射镜(22)之外各部件的引起的像差。球面反射镜(22)在初始位置、旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°位置及初始位置平移s时，通过夏克‐哈特曼波前传感器(25)测得的波像差分别为T0(x,y)、T45(x,y)、T90(x,y)、T135(x,y)、T180(x,y)、T225(x,y)、T270(x,y)和T315(x,y)及TShift(x,y)，在这些位置处，球面反射镜(22)引起的波像差为W0(x,y)、W45(x,y)、W90(x,y)、W135(x,y)、W180(x,y)、W225(x,y)、W270(x,y)和W315(x,y)及W(x‐s,y)，则有：W(x,y)＝WSym(x,y)+WAsym(x,y)(2)TShift(x,y)＝W0(x-s,y)+V(x,y)(4)取8次测量结果的平均值Γ(x,y)：式中W8Nθ(x,y)为波前W(x,y)中45°对称部分。将T0(x,y)减去式(5)得：T0(x,y)-Γ(x,y)＝WAsym(x,y)-W8Nθ(x,y)(6)当W8Nθ(x,y)很小时，由式(6)求得W(x,y)中的旋转非对称误差WAsym(x,y)。将T0(x,y)减去式(4)得：通过迭代计算即得WSym(x,y)。再根据式(2)，即求得球面反射镜(22)引起的波像差为W(x,y)，于是，球面反射镜(22)引起的面形误差F(x,y)为：利用本发明所述的装置测量深紫外光学系统波像差的方法步骤如下：(1)、调整平凹柱面镜(3)和平凸柱面镜(4)的间距，使从平凸柱面镜(4)后出射的光斑形状为方形。(2)、旋转衍射光学元件(8)，使得在傅里叶透镜(9)的后焦面上获得能量均匀分布的圆形光斑。(3)、调整第一聚焦物镜(14)的位置，使从小孔板(15)出射的光束能量最大，调整小孔板(15)的位置，使其位于第二准直物镜(16)的后焦面上。(4)、旋转第一1/4波片(11)、第一1/2波片(12)、第二1/2波片(17)和第二1/4波片(19)，使夏克‐哈特曼波前传感器(25)探测面上的能量最大。(5)、测量球面反射镜(22)在初始位置、旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°位置及平移位置时的波前T0(x,y)、T45(x,y)、T90(x,y)、T135(x,y)、T180(x,y)、T225(x,y)、T270(x,y)和T315(x,y)及TShift(x,y)，计算球面反射镜(22)的面形误差F(x,y)。(6)、将球面反射镜(22)放置于第二聚焦物镜(20)下方，使球面反射镜(22)的曲率中心和第二聚焦物镜(20)的后焦点重合，测量球面反射镜(22)在初始位置、旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°位置及平移位置的波前T′0(x,y)、T′45(x,y)、T′90(x,y)、T′135(x,y)、T′180(x,y)、T′225(x,y)、T′270(x,y)和T′315(x,y)及T′Shift(x,y)，计算此时球面反射镜(22)的面形误差F′(x,y)，计算得系统误差Wsystem为Wsystem(x,y)＝T′0(x,y)‐2F′(x,y)。(7)、计算待测深紫外光学系统(21)的波像差WPO为：WPO＝T0(x,y)‐Wsystem(x,y)‐2F(x,y)。(8)、移动第二聚焦物镜(20)到待测深紫外光学系统(21)的其他视场点上，调整球面反射镜(22)到相应位置，重复步骤(7)，直到完成所有视场点处的波像差测量。以上所述，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揭露的技术范围内，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以权利要求所述的保护范围为准。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3