光学系统及使用此系统校正掩模缺陷的方法与流程

本发明关于光学系统及用于校正掩模中缺陷的方法，如微光刻中所使用。

背景技术：

由于半导体工业中持续成长的集成密度，用于纳米压印技术的光刻掩模(photolithographicmask)或模板需将越来越小的结构成像至光感层，即成像至晶片上的光刻胶。为了符合这些要求，用于光刻掩模的曝光波长已经从电磁光谱的近紫外光经由中紫外光偏移到远紫外光范围。近来，通常使用193nm的波长用于曝光晶片上的光刻胶。因此，分辨率增加的光刻掩模的生产变得越来越复杂也因此越来越昂贵。在未来，光刻掩模将使用在电磁光谱的极紫外光(euv)波长范围中实质上较短的波长(约为13.5nm)。

光刻掩模在传输均匀性、平整性、纯度及温度稳定性方面需要满足非常严格的要求。为了能够产生具有合理收益的光刻掩模，需要在生产程序末端校正掩模的缺陷或故障。

来自激光源的飞秒光脉冲可用于校正用于纳米压印光刻技术的光刻掩模或模板的缺陷。为此，在激光源的协助下通过聚焦至非常小的焦点区域而在光刻掩模的透明材料中或在模板中产生高局部能量密度，且这导致透明材料的局部熔化。此局部熔化引起透明材料或模板材料的密度的局部变化。局部密度变化在下文中也称作像素(pixel)。激光束在材料上的局部应用所引起的局部密度变化在下文中称作将像素写入至透明材料。

经由具高强度的飞秒光脉冲在透明基板中产生像素将在光脉冲的光子与基板的电子的相互作用区中引起局部非线性光学过程。引入多个特别是非对称像素至透明基板将导致配置在透明基板表面上的图案元件的局部变化的位移。此外，将像素写入至透明基板将导致对基板的二次影响，因为像素局部地修改了透明基板的光学透射。

光刻掩模的透明材料通常具有几毫米的厚度。举例来说，使用包含由6.35mm熔融石英所制成的透明基板的掩模。根据将像素写入透明基板的深度而产生不同的校正效果。因此，希望能够控制在此深度维度中的像素位置。然而，透明基板的不同部分根据期望的深度而位于期望的焦点区域与光源之间。由于透明基板的折射率与环境折射率不同，将引起改变焦点区域的光学质量的波前误差。

类似的问题也出现在显微镜领域，特别是激光扫描显微镜。在此情况下，待检查样品位于样品载体中。此处同样地，需要驱动至不同的焦点位置，其应以高质量成像于每个焦点位置。这表示波前与参考波前的偏差应小。

us4,953,962提出成像镜头，其能够补偿由不同盖玻片厚度所引起的波前误差。该案使用两个可移动透镜元件及最后的透镜元件与样品之间的可更改距离用于补偿目的。

us7,733,564b2描述具有波前调制器(wfm)的显微镜用于改变焦点位置。wfm使得有可能改变样品内的焦点位置，即使成像镜头的前透镜元件与样品之间的工作距离保持固定。wfm配置在成像镜头与中间像平面之间。在此处，wfm的目标在于在样品中产生焦点，其在样品中的位置可变化。然而，其中焦点具有足够质量的焦点位置范围限制在几微米内。

us2016/0161729a1描述具有用于样品的结构化照明的lcos元件的光扫描显微镜，此元件另外用于校正像差及用于聚焦。

具有波前操纵器的其他显微镜已揭露于us2005/0207003a1、ep2498116a1、de112013006t5及us2015/0362713a1。

另外的应用发现于体外造影(vitrography)的领域，其中在玻璃内部的结构也同样被修改。另外的应用发现于液体聚合物的3-d打印(光学接合)，其中透明聚合物溶液经由光诱发聚合而固化。在此处，聚合物溶液采用样品的作用。

技术实现要素：

因此，本发明的目的为提供光学系统，其确保当样品内焦点位置在大范围内变化时的焦点区域的极好光学质量。

根据本发明的第一方面，后者包含光学系统，其具有设计成使得焦点可相对光轴横向地位移的扫描单元、至少包含第一透镜元件的第一透镜元件组、设计以将光束聚焦至焦点的聚焦单元，其中聚焦单元沿光学系统的光轴可移动地配置，使得焦点位置可沿光学系统的光轴改变。聚焦单元又包含第二透镜元件组以及成像镜头，第二透镜元件组至少包含第二透镜元件。成像镜头包含光瞳平面。光学系统包含波前操纵器，其设计成使得在彼此不同的聚焦单元的至少两个焦点位置处的rms波前误差小于100mλ，较佳小于20mλ。在此处，波前操纵器配置于成像镜头的光瞳平面中、或于与成像镜头的光瞳平面共轭的平面中。或者，扫描单元也可配置于与成像镜头的光瞳平面共轭的平面中且波前操纵器可同时地配置于光方向上的扫描单元的上游。第二透镜元件组的焦点在聚焦单元的两个焦点位置处位于成像镜头的光瞳平面中。因此，波前操纵器或扫描单元成像至成像镜头的光瞳平面，与聚焦单元的定位无关。

在本申请中，光瞳平面被理解为表示光阑的平面或光阑的像平面。光阑被理解为表示界定孔径的元件。在此处，这可为独立的不透明组件或光学元件的界限，例如安装架。

同样地，本申请中的光轴还被理解为仅以直线通过部分光学系统延伸的光轴。特别的，通过折叠反射镜而造成的光轴的偏转改变光轴的方向，但对光学设计没有影响或仅有微小的影响。

透明基板中焦点的光学质量可由波前与参考波前的偏差来描述。在此处，预定的理想波前称作参考波前。此参考波前可为球面或非球面的。球面参考波前通常用于激光扫描显微镜。非球面波前(如像散波前)从光掩模的校正而得知。光源提供具有波长λ的照明光。已知有多种光源。有利地，可使用激光光源。激光光源可持续地或以脉冲的方式操作。

波前与参考波前的偏差可由rms波前误差量化，即与参考波前的偏差的平方的归一化和的平方根。此rms波前误差通常被指定为所使用激光波长λ的一部分。因此，举例来说，1mλ对应千分之一的激光波长。针对本申请，若相应rms波前误差小于20mλ，焦点有最高质量。对范围在20mλ到100mλ的rms波前误差，焦点将具有高质量。对范围在100mλ到200mλ的rms波前误差，焦点将具有中等质量。

波前与参考波前的偏差的物理原因可在透明材料的折射率中找到。当焦点位置在透明基板中发生变化，焦点与透明基板表面在光轴的方向上的距离变化。因此，在不同焦点位置的情况下，光射线在透明基板内采取不同的几何路径。若现在由透明基板相对静止焦点位置的运动产生焦点位置的变化，如在例如传统显微镜中的情况，则光学路径也有变化，即在激光光源的波长下的透明基板的折射率与几何路径的长度的乘积。

举例来说，若透明材料为水，在传统波长情况下的折射率可约为n≈1.33。在物体由熔融石英制成的情况下，折射率可约为n≈1.46。焦点具有足够质量是必需的，特别是针对多光子过程，其中两个或更多光子必须在瞬间碰撞。

若透明基板的折射率n等于或接近周围介质的折射率，则在焦点位置变化的情况下，波前与参考波前之间的差异不会改变。

若透明基板为一平板且仅考虑在光轴上的焦点，则不同焦点的波前主要由于球面像差而偏离参考波前。若焦点没有位于光轴上而是与其横向偏移，则将另外发生其他像差。波前与参考波前偏离也可能有其他原因，例如由于偏离平板形式的几何形式或由于在透明基板中折射率的不均匀分布。波前操纵器的目标为引入波前的校正，其抵消球面像差和/或来自其他来源的其他像差。因此，在至少两个焦点位置获得波前的rms小于100mλ、较佳小于20mλ的焦点。波前的此校正在不同焦点位置可不同。特别地，其可沿光轴而不同，也可横向于系统的光轴而不同。

为了能够确保波前操纵器能够以使得小于100mλ、较佳小于20mλ的rms波前误差得以实现的方式来校正波前，需要将波前操纵器及光瞳平面定位使得撞击波前操纵器的点的射线也会撞击在光瞳平面的正好一个点上。在此背景下，点应理解为是在光学的范围内，而非为纯数学几何术语。波前操纵器的此定位可通过直接配置在成像镜头的光瞳平面中的波前操纵器来实现。另一选择在于将波前操纵器配置于与成像镜头的光瞳平面共轭的平面中，即将该波前操纵器成像于此光瞳平面中。

必须针对两个焦点位置提供波前操纵器或扫描单元到成像镜头的光瞳平面的成像。换言之，这些元件独立于聚焦单元的定位而被成像至此光瞳平面中。

波前与参考波前的偏差、以及焦点质量的恶化随着与最佳焦点位置距离的增加以及随着光学系统的较高数值孔径na而增加。为了能够比较不同光学系统，其在数值孔径、波长及具有不同折射率的使用材料方面不同，除了由rms波前误差评估焦点质量外，还需要可独立于系统来评估几何范围的参数。为此，在本文件中使用了针对景深的rayleigh标准。由此，rayleigh长度dr出现为dr＝λn/(2na²)。举例来说，对具有数值孔径na＝0.65、波长λ＝532nm及折射率n＝1.52的光学系统，将出现dr＝0.96μm的rayleigh长度。接着，可指定焦点仍具有良好的波前质量的范围为所考虑系统的rayleigh长度的倍数。这允许比较不同的光学系统。

因此，本发明的另一方面在于提供具有大于500dr、较佳大于1000dr、更佳大于2200dr的聚焦范围的光学系统。同时具有良好成像质量的此大聚焦范围通过由聚焦单元的移动所设定的焦点位置的定位来实现，而波前操纵器校正球面像差。因此，特别地，波前操纵器并不用于聚焦。

在本发明的另一方面中，光学系统更包含扫描单元，其设计使得焦点可相对光轴横向地位移。此扫描单元使得有可能扫描在样品上的相对大空间区域中的焦点。举例来说，若光学系统用于检查光刻掩模，有可能扫描掩模的一区域，而不用在横向方向上机械地移动掩模。这对扫描时间有利，因此也对在给定的时间单位中可检查的掩模的数量有利。

这类扫描单元可以许多不同方式来实施。可倾斜反射镜可为可能的一个实施例。此反射镜可绕一个轴倾斜，以能够一维扫描，或可绕彼此没有平行的两个轴倾斜，以能够二维扫描。也有可能在光方向上连续配置两个反射镜，每一个所述反射镜可绕不平行于另一轴的一个轴倾斜，以获得二维扫描。特别地，倾斜轴彼此垂直是有利的。此外，两个反射镜的枢轴点尽可能彼此靠近是有利的。将两个反射镜的枢轴点成像至彼此也是可能且有利的。

在本发明的另一实施例中，扫描单元包含一个或更多aod(声光偏转器)。若使用两个aod，将这些成像至彼此同样也是有利的。在这些组件中，可通过施加通过组件的声波改变光射线的偏转角度。这些组件的优点为快速的反应时间及可设定期望的偏转角度的易控制性。类似于可倾斜反射镜，aod可在一维扫描方向上或在二个维度中操作。也有可能连续配置在一个维度下操作的两个aod，取代在两个维度下操作的一个aod。为了获得二维扫描效果，单独aod的两个一维扫描方向需为不平行的。特别地，扫描方向若彼此垂直会是有利的。

在本发明另一方面中，光学系统更包含光源且波前操纵器配置于光源与扫描单元之间。在此情况中，光阑配置在扫描单元处或其下游。因此，即使波前操纵器在此位置不在光瞳平面中，它仍在平行光束路径中，因此满足以下重要条件：延伸通过波前操作器上的点的所有射线也撞击在成像镜头的光瞳平面中的共同点上。若波前操纵器配置于光方向上的扫描单元上游的聚集或发散光束路径中，此条件甚至可被满足。由于不同的横向焦点仅由扫描单元的定位产生，若扫描单元本身配置在与成像镜头的光瞳平面共轭的平面中，在此构造中就已足够。因此，扫描单元成像至成像镜头的光瞳平面。这可确保波前操纵器可校正rms波前误差，使得其在彼此不同的聚焦单元的至少两个焦点位置处小于100mλ、较佳小于20mλ。

在本发明的另一方面中，波前操纵器成像至成像镜头的光瞳平面。此外，在本申请中，光瞳平面应总是还被理解为表示与特定光瞳平面共轭的每个光瞳平面，且场平面应总是还被理解为与其共轭的每个场平面。总而言之，可配置波前操纵器的三个位置为较佳，即使也可有其他较佳的位置。这些首先为波前操纵器在成像镜头的光瞳平面中的配置，其次为在与成像镜头的光瞳平面共轭的平面中，且第三为在光方向上扫描单元的上游，其中扫描单元本身配置在与成像镜头的光瞳平面共轭的平面中。定位在成像镜头的光瞳平面的共轭平面是有利的，因为其更容易接近，因为光瞳平面本身不需总是位于光学元件之间的空间中，而是也可位于透镜元件的内部。此外，将波前操纵器定位在共轭平面是有利的，因为此位置可维持不变，因此波前操纵器不需作为聚焦单元的部分而移动。

在本发明另一方面中，光学系统包含设计为可变形反射镜的波前操纵器。可变形反射镜从多种应用已知，从天文望远镜、到微光刻投射曝光装置、到计量学的应用。可变形反射镜的优点在于可从反射镜的非照明后侧实现操纵的事实。因此，有可能在反射镜上的每一点施加造成反射镜变形的元件。因此，有可能设定大量的校正波前。

在本发明另一方面中，光学系统包含设计使得样品上的点成像至像平面中的像点的聚焦单元。因此，在与聚焦组相距一有限距离处的样品的点被成像至同样与聚焦组相距一有限距离的像点。

根据本发明，光学系统更包含具有至少一个第一透镜元件的第一透镜元件组，且聚焦单元包含具有至少一个第二透镜元件的第二透镜元件组及成像镜头，其中第二透镜元件组的焦点位在成像镜头的光瞳平面中。此外，第一透镜元件组及第二透镜元件组可设计使得其共同形成kepler系统。因此，有可能形成与成像镜头的光瞳平面共轭的平面。因此，第一透镜元件组及第二透镜元件组形成kepler系统，由其将波前操纵器或扫描单元成像至成像镜头的光瞳。由于第二透镜元件组为聚焦单元的部分，但第一透镜元件组为光学系统的固定(即不可移动)配置部件的部分，因此波前操纵器成像至成像镜头的光瞳平面。在此处，第二透镜元件组的焦点在聚焦单元的所有位置中位于成像镜头的光瞳平面中。此外，第一透镜元件组的焦点位于波前操纵器上。由于第一透镜元件组及第二透镜元件组的此配置，kelper系统可通过移动聚焦单元而拉长或缩短，而不会改变其成像特性。具有多个光瞳平面并因此也具有至少一个中间像的成像镜头也是可以想到的。

在本发明另一方面中，具有kepler系统的扫描单元独立于聚焦单元的定位而成像至光瞳平面中。在此情况下，波前操纵器沿光方向配置于扫描单元的上游。

在本发明另一方面中，光学系统设计使得其在样品侧为远心的。在样品侧为远心的系统在此情况下被理解为表示在样品平面中(即在产生焦点于其中的平面中)的不同点处具有平行于光学系统的光轴延伸的主射线的光学系统。此系统的优点在于在样品中横向相邻的两个点的波前与参考波前的偏差仅稍微不同。因此，若扫描单元在像平面中聚焦在相邻点处，波前在每个焦点处的相应未校正质量是非常相似的。在此情况下，由波前操纵器获得小于100mλ、较佳小于20mλ的波前与参考波前的rms偏差所需的波前校正独立于焦点的横向位置。因此，在扫描单元的扫瞄期间不需改变校正。

若在其横向范围方面，整个样品远大于可由扫描单元驱动的横向空间区域，则除了扫描单元外，使用定位单元用于定位样品是有利的。因此，举例来说，有可能使用掩模台沿0.1mm至数分米或甚至数米的路径定位掩模。接着，在扫描单元的协助下，可在较小的空间尺度上在此区域中产生焦点。通常，使用此定位单元的定位比经由扫描单元的调整更慢。因此，仅当需要无法由较快扫描单元提供的定位范围时才执行此定位较为有利。

在本发明另一方面中，后者包含分束器及观察装置，其中分束器配置使得光被提供至观察装置。加入观察装置到光学系统使得样品的像可被记录可能是有利的。若光学系统用于显微镜中，特别是激光扫描显微镜中，观察像的选项甚至是强制要使用的。相反地，若设备为用于处理用于光刻的掩模的设备，则像的观察并非强制的，但可能是有用的。在此申请中，观察装置被理解为表示多个检测器。举例来说，这可为直接目视观察的目镜或图像传感器，例如ccd相机或波前传感器。在激光扫描显微镜的情况中，特别地，观察装置也可累积。举例来说，可结合在扫描期间在时间上连续记录的像点以形成整体像。这可在计算机上执行。此外，也有可能安装多个观察装置。

因此，在本发明另一方面中，观察装置实施为波前传感器。其目标为检测由波前操纵器所设定的波前。其优点为有可能检查设定的波前。在此配置中，观察装置用于在光瞳平面中观察来自光源的光。

在本发明另一方面中，后者因此更包含控制单元，其比较由波前传感器记录的数据与参考波前，并将从测量的波前与参考波前的偏差所计算的校正传送至波前操纵器。因此，提供控制回路，其有助于波前传感器的自动或半自动封闭回路控制，从而获得良好的焦点质量。因此，若控制单元在波前操纵器的第一次调整后从波前传感器的数据计算rms波前误差仍大于预定目标值(例如20mλ或100mλ)，则控制单元能够使用波前操纵器的特性计算校正控制变量并将其传送至波前操纵器。接着，改变波前操纵器的波前校正直到获得期望的目标值。波前操纵器的这些特性通常指定为对归一化干扰的敏感度。举例来说，传统的计算机或特殊电子组件可使用作为控制单元。其他选择也是可想到的。

在本发明另一方面中，脉冲激光器使用作为光学系统的光源。此脉冲激光器特别适合用于通过聚焦在非常小的焦点区域而在光刻掩模的透明材料中产生高局部能量密度。这导致透明材料的局部熔化。此局部熔化引起透明材料的密度的局部变化。因此，可写入多个像素至透明基板中。因此，有可能产生配置在透明基板表面上的图案元件的局部变化的位移。此技术已知为配准校正(registrationcorrection)。较佳地，非对称像素用于配准校正。此外，像素可写入至透明基板至透明材料中，该像素相较于周围材料具有修改的光传输。此技术已知为cd校正。较佳地，对称像素用于cd校正。也有可能结合两个方法。

本发明的另一方面关于用于校正光刻掩模的缺陷的方法，该方法包含：

·提供如前述权利要求中任一项所述的光学系统，

·使用聚焦单元沿系统的光轴聚焦第一焦点位置于光刻掩模内，

·经由波前操纵器设定波前，使得rms波前误差小于100mλ、优选小于20mλ，

·通过在光刻掩模内的第一焦点位置处引入第一不可逆变化来校正掩模的第一故障。

若掩模配置于光学系统中，写入像素的精准效果可取决于沿光轴的位置。因此，为了校正目的将像素引入至在第二平面或其他平面中的基板可为有利的。为此，需要以下步骤：

·使用聚焦单元沿系统的光轴聚焦第二焦点位置于光刻掩模内，

·经由波前操纵器设定波前，使得rms波前误差小于100mλ、优选小于20mλ，

·通过在光刻掩模内的第二焦点位置处引入第二不可逆变化来校正掩模的第二故障。

为了校正光刻掩模，能够快速地改变在横向方向上的焦点位置是有利的。特别地，焦点位置的横向扫描是有利的。可为此而使用扫描单元。

当光刻掩模的缺陷被校正时，可使用波前传感器测量波前。其优点为有可能检查波前操纵器的设定。此检查可在校正操作期间或在特定选择的监视时间持续地进行。

接着，当校正光刻掩模的缺陷时，有可能产生控制回路，该控制回路更使用以下步骤来处理测量的波前：

·与参考波前比较，

·从此比较来计算校正波前，使得rms波前误差降低，

·从校正波前设定用于波前操纵器的新控制信号，以及

·传送控制信号至波前操纵器。

在波前已经被校正后，可再次测量波前并可决定新的且精确的校正。因此建立了控制回路。

附图说明

在下文中将参考附图更详细地解释本发明的示例性实施例。在图中：

图1显示第一实施例的示意性透镜元件截面，焦点位于同样表示的样品的中心；

图2显示在第一实施例中的成像镜头的示意性放大透镜元件截面，焦点位于同样表示的样品的中心；

图3显示第一实施例的聚焦组的五个不同设定，其对应于五个不同的焦点位置；

图4在左侧列中显示在沿波前操纵器的径向坐标的五个焦点位置处的波前操纵器的光学路径长度的变化，并在右侧列中显示在第一实施例的相同的五个焦点位置处的相关rms波前误差；

图5显示第二实施例的示意性透镜元件截面，其中可变形反射镜使用作为波前操纵器；

图6显示第三实施例的示意性透镜元件截面，其中波前操纵器配置于成像镜头的光瞳平面中；

图7显示第四实施例的示意性透镜元件截面，其中波前操纵器配置于与成像镜头的光瞳平面共轭的平面中，且光学系统包含偏振分束器；

图8显示第五实施例的示意性透镜元件截面，其中系统包含两个aod及观察装置；

图9在左侧列中显示在沿反射镜的径向坐标的五个焦点位置处的可变形反射镜的变形，并在右侧列中显示在第五实施例的相同的五个焦点位置处的相关rms波前误差；

图10显示在第六实施例中的示意性透镜元件截面；

图11显示在第七实施例中的示意性透镜元件截面；

图12显示在第八实施例中的示意性透镜元件截面；以及

图13在左侧列中显示在沿反射镜的径向坐标的五个焦点位置处的可变形反射镜的变形，并在右侧列中显示在第八实施例的相同的五个焦点位置处的相关rms波前误差。

具体实施方式

图1显示本发明的第一示例性实施例的示意图。在此情况中的焦点的质量涉及球面参考波前。光学系统1具有0.4的数值孔径(na)。样品17具有折射率n＝1.461。光源具有波长λ＝532nm。因此，这为此光学系统1产生了rayleigh长度dr＝2.43μm。光学系统1的光学数据总结于表格1中。在此处，材料nf2、nbk7、nsf5、nlasf44、npk51及nkzfs4为来自schott的市售玻璃，且snbh51为来自ohara的玻璃，所述玻璃的折射率为本领域技术人员已知的。此外，这些玻璃目录储存于市售的光学设计程序中，例如codev或oslo。

光学系统1包含聚焦单元13，其设计成将射线聚焦至焦点35，其中聚焦单元13以可沿系统的光轴移动的方式配置，使得可沿光学系统的光轴改变焦点位置。在此处，聚焦单元13包含具有光瞳平面21的成像镜头15。光瞳平面21出现为光阑19的像。在此实施例中，光阑19位于2-d扫描反射镜7上。此外，光学系统包含波前操纵器5，其设计使得在彼此不同的聚焦单元13的至少两个焦点位置处的波前误差的rms小于100mλ、较佳小于20mλ。波前操纵器5及聚焦单元13的光瞳平面21相对彼此定位，使得撞击于波前操纵器5的相同点上的射线在彼此不同的至少两个焦点位置撞击在光瞳平面21中的共同点上。

光学系统1更包含第一透镜元件组9，且聚焦单元13包含第二透镜元件组11及成像镜头15。在此示例性实施例中，此第一透镜元件组9由两个透镜元件构成，其实施为胶合构件。第一透镜元件组9的焦距为f1＝200.4mm。第二透镜元件组11同样实施为胶合构件并具有焦距f2＝80.1mm。光束路径由在第一透镜元件组9的透镜元件与第二透镜元件组11的透镜元件之间的两个折叠反射镜31折叠。通常为了符合有关安装空间的需求(即光学系统1的几何尺寸)而引入这类折叠反射镜31。它们通常为不具任何其他光学功能的平面反射镜。本领域技术人员已知可根据需求而增加或移除这类折叠反射镜。

具有焦距flens＝8.09mm的远心成像镜头15在光方向上配置于第二透镜元件组11的下游。成像镜头15在样品侧为远心的，表示成像镜头15的波前操纵器侧光瞳与成像镜头15的后焦点平面相同。因此，整个光学系统1设计为在样品侧为远心的。成像镜头15的光瞳平面21是不易接近的且位于成像镜头15的透镜元件内。在此示例中，除了第二透镜元件组11及成像镜头15，在聚焦单元13中没有其他光学元件。

第二透镜元件组11的焦点位于成像镜头15的光瞳平面21中。成像镜头15及第二透镜元件组11一起配置于可平行于系统1的光轴移动的平台上。这形成了包含成像镜头15及第二透镜元件组11的聚焦单元13。同样显示了待检查的样品17，其在面对成像镜头15的侧面上具有平面表面。通过平行于光学系统1的光轴移动聚焦单元13，有可能同样以平行于光轴的方式改变在样品17内的焦点位置。因此，聚焦单元13设计使得位于与成像镜头15相距一有限距离处的样品的点成像至在第二折叠反射镜31及聚焦单元13之间的像平面中的像点。因此，像平面位于与聚焦单元13相距一有限距离处。

表1

焦点位置在横向方向的变化(即，在此情况中在垂直光轴的平面中)是由扫描单元7造成的。在此示例性实施例中，扫描单元7实施为可在两个非平行轴倾斜的反射镜。这两个非平行倾斜轴的交叉点称作2-d扫描反射镜的枢轴点。2-d扫描反射镜配置使得其枢轴点位于第一透镜元件组的焦点处。因此，从2-d扫描反射镜中心开始的射线将在第一透镜元件组与第二透镜元件组11之间的区域中平行于光轴延伸。这些射线由第二透镜元件组11偏转并成像在聚焦单元13的光瞳21上。因此，2-d扫描反射镜的枢轴点成像至聚焦单元13的光瞳21。本发明的基本特性为如果聚焦单元13移动，也可将2-d扫描反射镜的枢轴点成像到聚焦单元13的光瞳21。

聚焦单元13的元件必须选择为足够大，使得从2-d扫描反射镜开始的光束不会经受渐晕(vignetting)。对聚焦单元13的光瞳21的直径dpupi1出现重要的条件。若dwfm表示由照明光所照明的波前操纵器5的圆形区域的直径，且f1及f2分别表示第一透镜元件组9及第二透镜元件组11的焦距，则必须以满足以下关系的方式选择变量：

在此示例性实施例中，波前操纵器5实施为透射元件，并直接配置在距离样品17更远的2-d扫描反射镜的一侧上。这类透射波前操纵器5为市售的标准光学元件、或为基于液晶的空间光场调制器。

因此，光束路径如下文所述延伸通过光学系统1。来自光源的照明光由分束器23反射、通过波前操纵器5、由2-d扫描反射镜7反射、并由第一透镜元件组9及第二透镜元件组11成像至成像镜头15的光瞳21，其最终在样品17中于深度z＝3.175mm处产生焦点。

图1所示的光学系统1在面对聚焦单元13的样品的平面侧底下3.175mm深度处产生与球面参考波前相关的良好质量的焦点。因此，成像镜头设计使得其将在深度3.175mm的样品点成像(几乎无像差)至无限远。因此，在该情况下，波前操纵器5接近其中性状态并对波前的形式仅有很小的影响。若通过移动聚焦单元13来设定与样品17的平面表面相距不同距离处的不同焦点位置，波前操纵器5将校正波前，使得rms波前误差在此处同样小于100mλ、较佳小于20mλ。因此，波前操纵器不再处于中性状态。

嵌入样品17内的小物体经由散射或荧光效应而作为第二光源并沿显微镜的方向将部分照明光传送回来。此观察光沿着相反的路径通过光学系统1，即从样品17沿波前操纵器5的方向。因此，成像镜头15、第二透镜元件组11、第一透镜元件组9及波前操纵器5被通过两次。某些观察光在分束器23被提供至观察单元25，分束器设计使得观察光至少部分地透射通过分束器表面。在本示例性实施例中，接着为产生中间像的另一透镜元件组。针孔可附接于中间像的位置，且在其之后可为光检测单元(例如形式为光电二极管)、像传感器、目镜和/或另一检测设备。

图2以放大的方式显示包含成像镜头15及样品17的部分光学系统1。三个不同光束的射线(其属于2-d扫描反射镜7的不同扫描角度)在样品17内的相同深度处形成不同的焦点。光瞳平面21的位置沿入射至成像镜头中的射线的延续而显示。可确定在此示例中的光瞳平面21位在成像镜头15的第一透镜元件内部。

沿光轴的焦点位置(即在样品17内的焦点的深度)可通过移动聚焦单元15而选择。在此处，聚焦单元15沿光轴位移。只有聚焦单元15具有可移动配置。光学系统1的所有其他组件可维持在平行于光轴的固定位置处。特别地，样品及第一透镜元件组9不需平行于光轴移动。然而，具有样品台的样品17仍可横向地位移。有利地，在此情况中，具有样品台的样品17不需平行于光轴移动，且其中安装光学系统1的设备的空间最大部分完全不需移动。

图3针对沿光学系统1的光轴的不同焦点位置显示聚焦单元13的位置。图中显示了范围从z＝0mm到z＝6.35mm的焦点位置。与每个焦点位置相关的为波前操纵器5的特定设定，其使得rms波前误差在最大可能程度上被最小化。光学路径差(opd)由聚焦单元13的几何位移引入。由于系统针对z＝3.75mm的焦点位置设计，opd对所有考虑的射线来说非常小。这可在图4中左侧列中的图表中识别出，其中根据相对照明光的主射线的射线位置绘示由波前操纵器5所引入的opd。图4的右侧列相对于横向焦点位置绘示在由波前操纵器5进行校正后所获得的rms波前误差。

可看出针对0mm＜z＜6.35mm的焦点位置，对距离光轴100μm的焦点的横向距离，最高的焦点质量由小于20mλ的rms值获得。这对应2600dr的场深度范围。若具有小于100mλ的rms波前误差的焦点的质量对应用是足够的，则焦点与光轴的横向距离甚至可大于140μm。由于第二透镜元件组及成像镜头彼此之间有固定的距离，第二透镜元件组的焦点与聚焦单元的位移无关而保持在成像镜头的光瞳平面中。因此，针对聚焦组的所有位置，扫描单元成像至成像镜头的光瞳平面中。

图5显示本发明的第二实施例。与第一实施例不同之处仅在于波前操纵器105在此处实施为自适应可变形反射镜(dfm)。可能的焦点位置及相应的焦点质量与其在第一实施例中无法区别。dfm为倾斜的并使光学系统101的光轴弯曲。根据构造，dfm的几何表面可为圆形或矩形。然而，在倾斜dfm105上的圆形照明的情况下，光在dfm上的覆盖区为椭圆形。dfm105的表面可变形以改变光束的opd，并因此改变在焦点的波前。因为可变形反射镜105相对光轴倾斜45°，所需的变形相对于覆盖区的中心也不再为旋转对称的。

图6显示本发明的第三实施例的示意图。在此处，设备的目标仅为在样品内产生焦点。因此，此处并不需要观察装置。有利地，此构造可用于例如所谓的3-d打印机。

激光束于光源中产生并由2-d扫描单元反射。这些位于图6的左侧，但未绘示于图中。扫描单元可由两个1-d扫描反射镜或两个声光偏转器(aod)构成，以在两个维度中引导光束。若使用两个1-d扫描装置，两个1-d扫描装置的枢轴点可在中继系统(如kepler系统或offner中继器)的协助下成像于彼此。

除了扫描单元，在此实施例中的光学系统201由包含至少一个透镜元件的第一透镜元件组209、包含至少一个透镜元件的第二透镜元件组211、透射波前操纵器205及远心成像镜头215所构成。成像镜头215包含可接近的光瞳平面221。透射波前操纵器205配置为靠近或位于成像镜头215的光瞳平面221中。光阑219直接配置于波前操纵器205上。因此，光阑界定了孔径光束并定义光瞳平面221的位置。第二透镜元件组211、波前操纵器205及成像镜头215配置使得它们可沿光学系统201的光轴一起移动。因此，成像镜头215、第二透镜元件组211及波前操纵器205共同形成了聚焦单元213。配置于第一透镜元件组209的焦点平面中的扫描单元的枢轴点因此成像至成像镜头215的光瞳平面221中的一点，并因此成像至波前操纵器205上。若聚焦单元213沿光轴位移，情况也是这样。样品217内的焦点位置可通过移动聚焦单元213来调整。通过以波前操纵器205校正波前，可在样品217内的不同焦点位置产生最高质量的焦点。

图7显示本发明的第四实施例的示意图。举例来说，此装置适合用于在样品317内产生焦点。在此情况中，样品317为用于光刻的光掩模。通过以脉冲激光辐照掩模的透明材料，有可能不可逆的改变透明材料。光刻掩模的透明材料通常为熔融石英。引入多个非对称像素至透明基板将造成配置在透明基板表面上的图案元件的局部变化位移。因此，可局部地校正所谓的掩模配准。此外，写入像素至透明基板将导致对基板的二次影响，因为像素局部地修改透明基板的光学传输。因此，可校正掩模结构的临界尺寸(cd)的成像。也有可能一起进行两个校正。光学系统301的光学数据总结于表格2。在此处，材料nbk7、nsf5、nlasf44、npk51及nkzfs4为来自schott的市售玻璃，而snbh51为来自ohara的玻璃，所述玻璃的折射率为本领域技术人员者已知的。此外，这些玻璃目录储存于市售的光学设计程序中，例如codev或oslo。

表2

已知不仅是尽可能成点状的像素，还有具有细长范围的非对称像素都可用于校正光刻掩模的配准。这种像素形式可由像散焦点产生。因此，在此情况下，参考波前不是球面，而是具有预定的像散畸变。像散焦点的产生可由波前操纵器305产生。有利的，所需的波前修正可由二维基函数来描述，例如在所谓条纹归一化中的zernike多项式。像散焦点的轴(即其在空间中的位置)可由波前操纵器所设定的适当预先决定的波前来预先决定。这是有利的，因为有可能在没有可移动的光学组件的情况下进行焦点的对准。

第四实施例中的光学系统301包含聚焦单元313，其设计用于将射线聚焦至焦点，其中聚焦单元313以可移动的方式沿光学系统301的光轴配置，使得沿光学系统301的光轴的焦点位置可被改变。在此处，聚焦单元313包含光瞳平面321。后者成为光阑319的像。此外，光学系统301包含波前操纵器305，其设计使得在彼此不同的聚焦单元313的至少两个焦点位置处的波前误差的rms小于100mλ、较佳小于20mλ。在此实施例中，光阑319位于波前操纵器305上或在其上游。波前操纵器305及成像镜头313的光瞳平面321相对彼此定位，使得撞击于波前操纵器305的相同点上的射线在彼此不同的至少两个焦点位置撞击在光瞳平面321中的共同点上。

光学系统301更包含第一透镜元件组309。聚焦单元313包含第二透镜元件组311及成像镜头315，其中第二透镜元件组311的焦点位于成像镜头315的光瞳平面321中。

照明由脉冲激光器产生。照明光为线偏振的。具有例如3mm的光束直径的激光束通过2-d扫描单元307。扫描单元307由两个声光偏转器(aod)构成，以在两个维度中引导光束。光被偏转的两个aod的轴线互相垂直。可达成的扫描角度取决于施加至相应aod的超声波频率。aod的最大扫描角度限制为约1°。由分别具有f＝25mm及f＝125mm的焦距的两个透镜元件所形成的kepler系统将aod之间的一点成像至波前传感器。kepler系统也将准直照明光的直径增加5倍，从3mm增加到15mm。

在kepler系统及第一透镜元件组309之间有偏振分束器(pbs)323及λ/4板329，其轴线相对于照明光的线偏振方向旋转45°。选择照明光束的偏振并设计偏振分束器323，使得入射光束由pbs323反射。第一次通过后，λ/4板329将线偏振光转换为圆偏振光。接着，光入射在波前操纵器305(其实施为可变形反射镜305)上。在于可变形反射镜305处反射后，光再次通过λ/4板329并转换回线偏振光。偏振的方向现在垂直于初始的偏振方向，因此光现在透射通过偏振分束器323。

dfm305配置于第一透镜元件组309的焦点平面中。第二透镜元件组311的焦点位于成像镜头315的光瞳平面321中。成像镜头315的光瞳平面321是无法接近的。这表示波前操纵器305配置在成像镜头315的光瞳的共轭平面中。因此，dfm305的表面形式中的变化导致光学波长的两倍变化，因此也导致波前的两倍变化。由于第二透镜元件组及成像镜头彼此之间有固定的距离，第二透镜元件组的焦点与聚焦单元的位移无关而保持在成像镜头的光瞳平面中。因此，针对聚焦组的所有位置，波前操纵器成像至成像镜头的光瞳平面中。

另一分束器323配置于第二透镜元件组311与成像镜头315之间的光束路径中。分束器323设计使得某些照明光由分束器表面反射且某些照明光被提供至观察单元325。通过分束器层的合适设计，可提供照明光的预先确定部分至观察单元325。通常仅选择一小部分，例如1％、5％或10％。在此示例性实施例中，此观察装置325实施为用于检测由波前操纵器305所设定的波前的波前传感器327。波前传感器327用于测量成像镜头315的光瞳平面321中的波前。波前传感器327的入口窗口配置于第二透镜元件组311的焦点平面中。波前传感器327测量适合用于特征化波前的数据。控制单元(此处未绘示)处理由波前传感器327所记录的数据。此处理包含以下步骤：与参考波前比较、由此比较来计算校正波前、从校正波前设定用于波前操纵器305的新控制信号、以及传送控制信号至波前操纵器305。当波前已被校正后，可再次测量波前并可决定新的且精确的校正。因此建立了控制回路。

成像镜头315、观察装置325及第二透镜元件组311一起配置于可平行于光学系统的光轴移动的平台上。这形成了包含成像镜头315、观察装置325及第二透镜元件组311的聚焦单元313。同样显示了待检查的样品317，其在面对成像镜头315的侧面上具有平面表面。通过平行于光学系统301的光轴移动聚焦单元313，有可能同样以平行于光轴的方式改变在样品317内的焦点位置。

选择性地，聚焦单元313可包含其他元件。可能需要附加其他的λ/2板或λ/4板、用于符合安装空间限制的偏转镜或光学滤波器。λ/4或λ/2板也可具有相对大的延迟。由于多个波长的延迟不会影响垂直通道范围内的偏振光学特性，也有可能在商业上获得较高阶的元件。在此处，阶数由波长的整数倍指定。较高阶的波片是有利的，因为它们对损害的敏感度较低，并且能够更具成本效益地生产。其缺点为对偏振光学效应有较高的角度依赖。

在此实施例中，成像镜头315在样品侧具有远心实施例。因此，位于距面对成像镜头315的样品317的平面侧相同距离处但具有不同横向位置的焦点位置实质上具有相同的波前误差。因此，需由波前操纵器305设定的必要校正波前实质上仅取决于与光学系统的光轴平行的聚焦单元313的位置。这是有利的，因为波前校正在经由扫描单元进行横向扫描的过程中不需要被改变。因此，有可能获得用于光刻掩模的更有效率、更稳定且更快的校正方法。

相较于可由扫描单元307实现的焦点位置的横向位移，光掩模的横向范围较大。为了在光掩模的透明材料内的任何位置处产生焦点，将光掩模施加至横向定位单元(此处未绘示)。这使得能够快速且准确地横向定位掩模317。也有可能当样品由定位单元横向地移动时进行光掩模的校正。这表示样品相对光学系统的速度v≠0m/s，而焦点产生于透明材料中的不同焦点位置处。由于在运动期间对像素的此写入，需要较少的时间来校正掩模317。

图8显示本发明的第五实施例的示意图。根据第五实施例的这种设备适合用于在样品内产生焦点。在此情况中，样品为用于光刻的光掩模417。设备可通过在光掩模的透明材料中的不可逆变化来校正用于光刻的掩模。照明由脉冲激光器产生。照明光为线偏振的。基本结构类似于第四实施例的结构。

第五实施例中的光学系统401包含聚焦单元413，其设计用于将射线聚焦至焦点，其中聚焦单元413以可移动的方式沿光学系统401的光轴配置，使得沿光学系统401的光轴的焦点位置可被改变。在此处，聚焦单元413包含光瞳平面421。后者成为光阑419的像。此外，光学系统401包含波前操纵器405，其设计使得在彼此不同的聚焦单元413的至少两个焦点位置处的波前误差的rms小于100mλ、较佳小于20mλ。在此实施例中，光阑419位于波前操纵器405上或在其上游。波前操纵器405及成像镜头415的光瞳平面421相对彼此定位，使得撞击于波前操纵器405的相同点上的射线在彼此不同的至少两个焦点位置撞击在光瞳平面421中的共同点上。

光学系统401更包含第一透镜元件组409。聚焦单元413包含第二透镜元件组411及成像镜头415，其中第二透镜元件组411的焦点位于成像镜头415的光瞳平面421中。由于第二透镜元件组及成像镜头彼此之间有固定的距离，第二透镜元件组的焦点独立于聚焦单元的位移而保持在成像镜头的光瞳平面中。因此，针对聚焦组的所有位置，波前操纵器成像至成像镜头的光瞳平面中。

照明由脉冲激光器产生。照明光为线偏振的。具有例如3mm的光束直径的激光束通过2-d扫描单元407。扫描单元407由两个声光偏转器(aod)构成，以在两个维度中引导光束。光被偏转的两个aod的轴线互相垂直。形成kepler系统的两个其他透镜元件组配置于2-d扫描单元与波前操纵器405之间。在本示例性实施例中，它们具有60mm及150mm的焦距。它们用于将扫描单元470的枢轴点成像至波前操纵器405。在此示例中，光阑419配置于波前操纵器405上或其附近。成像镜头415的光瞳平面421由此光阑的像设定。

除了如在第四示例性实施例中所描述的配置于第二透镜元件组411及成像镜头415之间的第一观察单元425，此实施例包含另一观察单元425。二向色(dichroic)分束器423配置于光束路径中，其设计使得观察光由分束器表面反射且某些观察光被提供至另一观察单元425。在此处，此另一观察单元425实施为具有设置于其上游的透镜元件的像传感器。二向色分束器423设计使得其发射波长为532nm的光并反射波长为455nm±10nm的光。因此，需要另一光源以操作此另一观察装置425。具有532nm波长的脉冲激光用于通过写入像素来处理光掩模；具有波长455nm±10nm的另一光源用于操作另一观察装置425。此另一光源未示于图8中。另一光源可配置于样品417的上面、下面或旁边。另一观察装置425的像传感器可用于监视横向定位单元的精准位置和/或在控制回路中使用定位单元的位置数据来控制定位单元。此外，像传感器的像可用于观察光掩模417的透明材料的处理。像可用于掩模的校正的视觉控制，因此用于确保校正质量。

图9在左侧列的图表中显示波前操纵器405的矢高(sag)，波前操纵器405在此例中实施为可变形反射镜(dfm)。可变形反射镜上的横向、径向位置在x轴上指定。每一单独图表对应于平行于光轴的焦点位置。在此处，测量景深，其为与面对成像镜头415的样品417的平面表面的距离。图表针对在深度0mm、2.5mm、5mm、7.5mm及10mm的焦点位置显示。波前操纵器405的矢高显示于图表的y轴上。在由波前操纵器405进行校正后所达成的rms波前误差根据横向焦点位置绘示于图9的右侧列中，其针对平行于光轴的相同焦点位置(深度)。

第五实施例的光学系统401具有rayleigh参数dr＝2.43μm。景深范围约为4100·dr。针对高达120mm的横向焦点位置获得小于20mλ的rms波前误差。针对120μm到180μm或更多的横向焦点位置，rms波前误差超过数值20mλ，但保持明显低于100mλ。

图10显示本发明的第六实施例的示意图。第六实施例中的光学系统501包含聚焦单元513，其设计用于将射线聚焦至焦点535，其中聚焦单元513以可移动的方式沿光学系统501的光轴配置，使得沿光学系统501的光轴的焦点位置可被改变。在此处，聚焦单元513包含光瞳平面521。后者成为光阑519的像。此外，光学系统501包含波前操纵器505，其设计使得在彼此不同的聚焦单元513的至少两个焦点位置处的波前误差的rms小于100mλ、较佳小于20mλ。在此实施例中，光阑519位于波前操纵器505上或在其上游。波前操纵器505及成像镜头515的光瞳平面521相对彼此定位，使得撞击于波前操纵器505的相同点上的射线在彼此不同的至少两个焦点位置撞击在光瞳平面521中的共同点上。光学系统501更包含第一透镜元件组509。聚焦单元513包含第二透镜元件组511及成像镜头515，其中第二透镜元件组511的焦点位于成像镜头515的光瞳平面521中。

扫描单元507包括相继排列的两个aod。波前操纵器505实施为可变形反射镜。与本发明的第四实施例及第五实施例相反，由光源辐照在波前操纵器505表面上的光束的平均入射角明显不同于0°。这表示波前操纵器505的表面法线在反射前不与光学系统501的光轴重合，且在反射后也不与系统的光轴重合。这是有利的，因为不需要使用分束器或λ/4板。然而，维持可变形反射镜的更容易获得及可操纵性的优点。

另一偏振分束器523在光束路径中配置于第二透镜元件组511及成像镜头515之间。偏振分束器523设计使得观察光由分束器表面反射且某些观察光被提供至观察单元525。在此示例性实施例中，此观察装置525实施为波前传感器527，用于检测由波前操纵器505设定的波前。

成像镜头515、观察装置525及第二透镜元件组511一起配置于可平行于光学系统501的光轴移动的平台上。这形成了包含成像镜头515、观察装置525及第二透镜元件组511的聚焦单元513。

在此实施例中，第二透镜元件组511实施为具有f2＝60mm的焦距。

图11显示本发明的第七实施例的示意图。此实施例非常类似第六实施例。在此处，从光源入射在波前操纵器605上的光的平均入射角仅略为偏离0°。

将波前操纵器605的表面法线相对光学系统601的光轴的倾斜角度保持为尽可能的小是有利的。因此，在波前操纵器605上发生的最大入射角同样保持为小。这使得更容易获得对所有射线的均匀反射率。此外，可变形反射镜然后在大横向焦点位置的情况下造成较小的像差。

除了第六实施例的优点，因为某些透镜元件另外被通过两次，因此可省去某些透镜元件。

图12显示本发明的第八实施例的示意图。第八实施例的光学系统701包含具有至少一个第一透镜元件的第一透镜元件组709及聚焦单元713，其中聚焦单元713包含具有至少一个第二透镜元件的第二透镜元件组711及成像镜头715，其中成像镜头715具有至少一个光瞳平面721及焦点735，其中聚焦单元713沿光学系统701的光轴可移动地配置，使得焦点位置可沿光学系统的光轴改变。第二透镜元件组711的焦点位于成像镜头715的光瞳平面721中。此外，光学系统701包含波前操纵器705，其设计使得在彼此不同的成像镜头715的至少两个焦点位置处的波前误差的rms小于100mλ、较佳小于20mλ。

在此实施例中，波前操纵器705实施为可变形反射镜。波前操纵器705配置于第一透镜元件组709的焦点平面中且由第二透镜元件组711成像至成像镜头715的光瞳721。由于成像镜头715的光瞳721位于第二透镜元件组711的焦点平面中，波前操纵器705成像至光瞳中。此成像与聚焦单元713的位置无关。

在2d扫描单元707的枢轴点附近的点成像至光瞳的中心。扫描单元707偏转激光束，使得激光束与光轴之间的角度可在0°到2.5°之间的范围中调整。这对应于在成像镜头715的光瞳中的0°到1.25°之间的角度范围。成像镜头715的焦距为3.29mm。因此，横向焦点位置由直径为2·3.29mm·tan(1.25°)≈144μm的圆描述。

样品717中的数值孔径为na＝0.6。样品为折射率为n＝1.335的水；光源的波长为532nm。因此，rayleigh长度为dr＝(λ·n)/(2·na²)＝0.986μm。

样品中的横向焦点位置可平行于光学系统701的光轴设定于0＜z＜5280μm的深度范围中。这对应5350·dr的深度范围。

图13显示可变形反射镜705的矢高及作为rms波前误差的焦点质量。可看出，在包含高达72μm的横向焦点位置及高达5350·dr的深度范围的整体范围上，具有小于100mλ的rms波前误差的焦点的质量是高的。若较差的焦点质量足以满足应用的需求，则有可能选择更大的横向焦点位置的范围。