一种高精度、高空间分辨率的横向剪切干涉波前测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学检测技术领域，涉及一种横向剪切干涉波前测量方法，特别是一 种高精度、高空间分辨率的横向剪切干涉波前测量方法。
【背景技术】
[0002] 横向剪切干涉是一种自干涉波前测量技术，待测波前与其自身横向平移的部分产 生干涉，消除了对额外参考波面的需求，因此理论上可以达到很高的测量精度。横向剪切干 涉是一种共光路干涉技术，其对振动和环境扰动不敏感，对测量环境的要求不高。另外，横 向剪切干涉对光源的空间相干性要求较低，且其灵敏度可以通过调整剪切量的大小进行调 节。由于以上优点，横向剪切干涉在波前测量领域得到了很重要的应用。随着波前测量精 度要求进入亚纳米尺度，横向剪切干涉的重要性日益凸显，尤其是在光刻技术领域。光刻机 是极大规模集成电路制造的核心装备，其投影物镜是一直是高端光学成像系统的代表。集 成电路特征尺寸的持续缩小，对光刻机投影物镜的分辨率提出的要求越来越高，因此对投 影物镜波像差的检测和控制技术的精度要求也越来越高。目前最高端的商用光刻机的投影 物镜的波像差已经控制到亚纳米量级，波像差检测技术的精度需要达到更高。无论是对当 前最高端的、用于Ixnm节点集成电路量产的商用光刻机，即193nm浸没式光刻，还是最有希 望在IOnm以下节点实现量产的下一代光刻技术，即极紫外光刻，横向剪切干涉都是能够用 于投影物镜波像差原位检测的、为数不多的几种技术中的重要的一种。特别地，国际光刻机 巨头ASML公司在其系列商用高端光刻机中以横向剪切干涉技术作为投影物镜波像差原位 检测技术，其具有测量精度高、速度快、工作稳定、系统结构简单等优点。在ASML公司当前 最先进的面向Ixnm节点的商用光刻机NXT1970Ci中，同样采用横向剪切干涉作为其波像差 检测技术，且能够同时实现掩模同轴对准功能。简言之，横向剪切干涉技术是当今非常重要 的一种高精度的波前测量技术。
[0003] 横向剪切干涉的一个特点，同时也是一个缺点，是其直接的测量结果不是待测波 前自身，而是其在两个正交剪切方向上的差分，即差分波前，因此需要从差分波前中重建出 待测波前。重建方法有很多种，可以分为模式法和区域法两大类。模式法是将待测波前展 开为一组基函数，通过测量的差分波前求解待测波前的基函数系数。模式法是一种拟合方 法，其拟合的精度受限于重建采用的基函数的项数。参与重建的项数越多，则重建精度越 高，反之亦然。然而，受限于计算机的计算能力，以及计算时间的要求，参与重建的项数不可 能无限制的增大，因此，模式法重建存在原理性误差。而且，重建的空间分辨率也受限于参 与重建的项数，对于较复杂的像差，通过低阶项不能重建。区域法是根据剪切原理通过一个 系数矩阵建立离散的待测波前和离散的差分波前之间的关系方程组，通过最小二乘法求解 待测波前在一系列离散点上的值的方法。与模式法相比，区域法理论上精度更高、空间分辨 率更高，可以用于分析高阶像差。因此区域法是一种很重要的横向剪切干涉波前重建方法。
[0004]区域法有很多种，且不同的区域法对测量过程的要求不同。根据测量次数的不 同，可以分为两次测量法、四次测量法和多方向多次测量法。两次测量法是常规方法，即在 相互正交的两个方向上分别进行一次剪切干涉测量。这种方法以Rimmer方法（在先技术 [1] ：M.P.Rimmer,"Methodforevaluatinglateralshearinginterferograms, '，Appl. Opt. 13, 623-629 (1974).)为代表，其缺点是重建波前的空间分辨率受限于剪切量的大小， 空间分辨率与剪切量成反比，剪切量大则空间分辨率低，剪切量小则空间分辨率高，其原因 是重建波前的抽样间隔只能等于剪切量，而不能小于剪切量。因此，为获得高空间分辨率的 波前测量结果，必须采用非常小的剪切量，而在小剪切量的情况下，横向剪切干涉测量信号 的信噪比很低。
[0005]为解决这个问题，Dai等人提出一种线性插值法（在线技术[2]: FengzhaoDai,FengTang,XiangzhaoWang,OsamiSasaki,"Generalizedzonal wavefrontreconstructionforhighspatialresolutioninlateralshearing interferometry, "J.Opt.Soc.Am.A29, 2038-2047 (2012) ?)，这种方法将待测波前和差分波 前通过一个非列满秩的系数矩阵相关联，通过给待测波前赋初始值的方法将非列满秩的系 数矩阵拓展为列满秩，并通过线性插值方法从两个正交方向的差分波前中计算出初始值， 最后通过最小二乘法重建出待测波前。这种方法重建波前的抽样间隔直接由CCD的像素 尺寸决定，而不受限于剪切量的大小，在大剪切量下也可以实现高空间分辨率的重建。这 种方法的缺点是重建精度低，因为重建精度受限于初始值的精度，通过线性插值法计算的 初始值精度不高，不能满足高精度的波前测量需求。为提高测量精度，Dai等人提出一种 模式法与区域法的混合重建方法（在先技术[3]:FengzhaoDai,FengTang,Xiangzhao Wang,OsamiSasaki,andMinZhang,"Highspatialresolutionzonalwavefront reconstructionwithimprovedinitialvaluedeterminationschemeforlateral shearinginterferometry, "Appl.Opt. 52, 3946-3956 (2013) ?)，这种方法首先通过模式 法重建待测波前，然后将部分重建结果作为初始值通过区域法重建出待测波前，这种方法 同样可以在大剪切量下实现高空间分辨率的重建，其相对线性插值法在一定程度上可以提 高波前重建精度，但是如前所述，通过模式法重建获取的初始值仍然是一种估计，因此这种 方法同样不能满足高精度（如亚纳米）的波前测量需求。Yin提出一种四次测量区域法 (在先技术[4] :Z.Yin,"Exactwavefrontrecoverywithtiltfromlateralshear interferograms, "Appl.Opt. 48, 2760 - 2766 (2009) ?)，在两个相互正交的方向上分别进行 两次测量，根据每个测量方向待重建的点数，对该方向上的两次测量的剪切量进行设计，可 以使重建波前的抽样间隔与剪切量无关，从而实现高空间分辨率的重建。由于未采用任何 的估计或拟合，因此这种方法理论上可以实现完美的重建，重建精度仅受限于计算机的舍 入误差。这种方法可以满足高精度甚至是亚纳米精度的波前测量需求。但是这种方法存在 剪切量受限的问题，某个测量方向的两次测量的剪切量需满足它们的乘积等于该方向待测 波前抽样点数的限制。这就使得剪切量的可选择范围很小。Nomura提出一种多方向测量 法（在先技术[5] :T.Nomura,S.Okuda，K.Kamiya，H.Tashiro,andK.Yoshikawa，"Improved Saundersmethodfortheanalysisoflateralshearinginterferograms, '，AppI. Opt. 41，1954 - 1961 (2002).)，这种方法与常规的在相互正交的两个方向上进行剪切测量 不同，其在多个方向上进行多次剪切测量，这种方法可以在大剪切量下实现高精度、高空间 分辨率的重建。但是其缺点也很明显，即需要进行很多次的测量，测量过程复杂，也很耗时。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种高精度、高空间分辨率的 横向剪切干涉波前测量方法。这种方法通过在相互正交的两个方向上分别进行两次测量， 可以在大剪切量下实现完美的二维波前重建，即理论上无重建误差，且空间分辨率仅受限 于光电探测器的像素尺寸，而与剪切量无关。且每个方向上两次测量采用的剪切量可以在 一个最大值下自由选取，选择范围更大。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] -种高精度、高空间分辨率的横向剪切干涉波前测量方法，其特征在于该方法在 相互正交的X和y两个方向上分别进行两次测量