数字相移横向剪切干涉仪及光学系统波像差测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学检测领域，具体涉及一种数字相移横向剪切干涉仪及光学系统波 像差的测量方法。
【背景技术】
[0002] 横向剪切干涉具有如下优点：
[0003] 1)待测波前与其自身的横向平移产生干涉，消除了对高精度参考波前的需求，因 此具有很高的测量精度；
[0004] 2)是一种共路干涉系统，因此对机械振动、空气扰动不敏感，测量系统稳定；
[0005] 3)对光源的空间相干性要求低，传统的基于参考波的双光束干涉要求待测波前在 整个待测光瞳内都空间相干，而横向剪切干涉只要求光源的空间相干长度不小于剪切距离 即可；
[0006] 4)测量系统的灵敏度可调，可以通过改变剪切量改变测量系统的灵敏度。因此，横 向剪切在波前测量领域得到了广泛的应用，如光学元件的表面面形测量、光学系统的波像 差测量、X射线波前测量等。
[0007] 特别是该技术已经应用于高端光刻机中，用于光刻投影物镜的原位测量。光刻机 是全球高端装备的代表，是超精密、大系统、工程极限的高度融合，其对各个分系统的指标 要求都非常高，其中投影物镜系统的波像差已经控制在0. 6nm以下，这对波像差检测技术 的精度提出了极高的要求。而横向剪切干涉技术正是商用的193nm光刻投影物镜波像差原 位检测技术，应用范围涵盖90nm节点到lx nm节点的光刻机。另外，横向剪切干涉技术也 是极紫外光刻投影物镜波像差检测的主流技术。
[0008] 产生波前剪切的器件有很多方法，如平板剪切、棱镜剪切、光栅剪切、偏振剪切等。 对于高精度的波前测量，通常需要采用相移干涉技术，光栅剪切干涉由于便于引入相移，在 高精度波前测量领域成为主流技术方案，如193nm光刻及极紫外光刻的投影物镜波像差检 测均采用了光栅作为剪切分光器件。光栅剪切干涉通过采用PZT带动分光光栅在剪切方向 横向移动，使不同衍射级次的光之间的相位差发生变化，光栅移动一个周期，〇级与±1级 衍射光间的相位差变化2π，通过这种方式在参与干涉的两束光之间引入相移。而使用PZT 产生相移通常需要对其电压进行校准，且PZT相移容易受到非线性效应（如迟滞效应、热漂 移等）的影响。文献（S. Zhao and P. Chung, "Digital speckle shearing interferometer using a liquid-crystal spatial light modulator," Opt. Eng. 45, 105606 (2006))提出 了一种数字散斑剪切干涉仪，采用反射式液晶空间光调制器（LC-SLM)代替光栅，并用计算 控制LC-SLM产生数字光栅，作为剪切分光器件，可以通过计算机编程控制LC-SLM光栅线条 移动，实现相移，避免了传统PZT相移存在的问题。但是这种方法理论上是双光束干涉，参 与干涉的光为LC-SLM光栅的+1和-1级衍射光，但是实际上存在高级衍射光，参与干涉的 光不仅有+1级和-1光，还包含〇级及2级以上的高级衍射光。
[0009] 解决高级衍射光问题的方法有三种：（1)通过优化设计LC-SLM光栅，抑制 O 级及高级衍射光（在先技术[1] :Α· Cornejo and D. Malacara, 〃Ronchi Test of Aspherical Surfaces，Analysis，and Accuracy，"Appl. Opt. 9, 1897-1901 (1970) ; (2)通 过优化设计LC-SLM光栅，抑制2级以上的高级衍射光，保留0级和+1级和-I级衍射光 参与干涉，即三光束干涉，通过特殊的相位提取方法提取出相位（在先技术[2]Si-Hong Zhai,Jianping Ding, Jing Chen, Ya-Xian Fan, and Hui-Tian Wang, "Three-wave shearing interferometer based on spatial light modulator, "Opt.Express 17,970-977(2009)) ; (3)通过采用双窗口掩模，滤除0级及高级衍射光，保证双光束干涉 (在先技术[3] :Yucong Zhu, Katsumi Sugisaki, Katsuhiko Murakami, et al. , Shearing Interferometry for at Wavelength Wavefront Measurement of Extreme-Ultraviolet Lithography Projection Optics, Jpn. J. Appl. Phys 42, 5844 - 5847(2003))。在实际应用 中，对于普通的LC-SLM，方法（I)很难同时消除0级和2级以上的高级衍射光，方法（2)需 要采用特殊设计的相位提取方法，应用范围受到限制，方法（3)能够很好的滤除0级及2级 以上的高级衍射光，使+1级衍射光参与干涉，也可以通过改变双窗口掩模，选择〇级光与+1 级（或-1级）光参与干涉。但是方法（3)在改变剪切方向或剪切率时需要更换（或旋转） 滤波器，给测量带来不便，同时也会引入额外的测量误差。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种数字相移横向剪切干涉仪 及光学系统波像差测量方法，该干涉仪结构采用空间光调制器作为像面的数字空间滤波 器，可以与物面空间数字滤波器配合使用，使得剪切方向和剪切率的改变更为方便，消除了 因更换或旋转器件带来的测量误差。
[0011] 本发明的技术解决方案如下：
[0012] 一种数字相移横向剪切干涉仪，其特点在于该干涉仪包括光源，沿该光源输出光 束方向依次是小孔掩模、第一空间光调制器、第二空间光调制器与二维光电探测器，该二维 光电探测器的输出端与计算机的输入端相连；所述的第一空间光调制器和第二空间光调制 器分别置于第一三维位移台和第二三维位移台上；所述的第一空间光调制器和第二空间光 调制器的输入端分别与计算机的输出端相连；
[0013] 所述的小孔掩模是一块方形的遮光板，在该遮光板的中心有一个透光的小孔，该 透光小孔的直径小于待测光学系统的物方分辨率；
[0014] 所述的第一空间光调制器为透射式空间光调制器，受计算机控制产生数字光栅， 作为剪切分光器件，将待测波前衍射为多级衍射光，进行X方向剪切测量时，剪切光栅的线 条沿y方向分布，包含透光部分和不透光部分；进行y方向剪切测量时，剪切光栅的线条沿 X方向，包含透光部分和不透光部分；
[0015] 所述的第二空间光调制器为透射式空间光调制器，受计算机控制产生双窗口掩 模，作为空间滤波器，滤除〇级与2级以上的高级衍射光，进行X方向剪切测量时，双窗口掩 模的中心连线沿X方向，包含两个透光窗口，其他部分设置为不透光，进行y方向剪切测量 时，双窗口掩模中心连线沿y方向，包含两个透光窗口，其他部分设置为不透光；
[0016] 所述的二维光电传感器是(XD、CMOS或二维光电探测器阵列。
[0017] 利用所述的数字相移横向剪切干涉仪对光学系统波像差的测量方法，其特点在于 该方法包含以下步骤：
[0018] 1)计算干涉仪系统参数：
[0019] 设定干涉仪的剪切率s，剪切率s -般在1 %~20%之间取值，对于高精度的波像 差测量，一般在1 %到5%之间取值，设定干涉仪的干涉条纹数量N，一般在20~100之间 取值；根据设定的剪切率s，待测光学系统的像方数值孔径NA和光源的波长λ，按公式p = λ AsXNA)计算出第一空间光调制器的光栅周期ρ ;根据设定的干涉条纹数Ν，光栅周期ρ 及待测光学系统的像方数值孔径ΝΑ，按公式d = ΝΧρ/ΝΑ计算第一空间光调制器和第二空 间光调制器之间的距离d ;由第一空间光调制器的光栅周期ρ、光源的波长λ、第一空间光 调制器和第二空间光调制器之间的距离d，按公式Λ = 2d λ/p计算第二空间光调制器双 窗口掩模两窗口中心之间的距离Δ ;根据拟采用的相移算法及每步的相移量Λ Φ，按公式 Δρ = ρΧΔΦ/4：π计算每步相移的光栅线条移动量Δρ ;
[0020] 2)调整干涉仪系统：
[0021] 将待测光学系统置于小孔掩模和第一空间光调制器之间，调整待测光学系统，使 小孔掩模处于光学系统的物面，使光轴穿过小孔掩模的透光小孔的中心，调整第二空间光 调制器的位移台，使第二空间光调制器的表面垂直于光轴，并处于待测光学系统的物面，调 整第一空间光调制器的位移台，使第一空间光调制器的表面垂直于光轴且与第二空间光调 制器之间的距离为步骤1)计算得到的值d ;
[0022] 3)光学系统波像差测量：
[0023] ① X方向剪切干涉测量：
[0024] 通过计算机控制，将第一空间光调制器设置为y方向光栅，即光栅线条沿y方向， 光栅周期设置为所述的P ;通过计算机控制，将第二空间光调制器设置为沿X方向的双窗 口掩模，即两窗口的中心连线平行于X轴，两窗口中心之间的距离设置为所述的Δ，并使光 轴处于两窗口中心连线的中心；开启光源，由光电探测器探测干涉光强信号I xl，并将^传 入计算机保存；计算机控制第一空间光调制器光栅，使其沿+x(或-X)方向平移，平移量为 所述的Δρ，由光电探测器探测干涉光强信号I x2，并将Ix2传入计算机