[發(fā)明專(zhuān)利]非球面的精確高分辨率測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680009907.8
• 申請(qǐng)日: 2006-04-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101268331A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 保羅·E·墨菲;德拉吉沙·米拉迪諾維克;格雷格·W·福布斯;加里·M·德弗里斯;喬恩·F·弗萊格
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: QED技術(shù)國(guó)際股份有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/24
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/24
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所
• 代理人: 馬高平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及表面和波前測(cè)量的方法和裝置；更具體地說(shuō)，涉及這種測(cè)量的自動(dòng)操作設(shè)備、校準(zhǔn)、和采集；最具體地說(shuō)，涉及提高非球面和波前測(cè)量的精度的方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有技術(shù)已知對(duì)表面和光學(xué)波前進(jìn)行精確測(cè)量的方法和設(shè)備。用于獲得光學(xué)的量測(cè)量的優(yōu)選裝置(非出乎意料地)基于光學(xué)技術(shù)。盡管可應(yīng)用一些其它技術(shù)，在這個(gè)領(lǐng)域最普遍公認(rèn)的計(jì)量?jī)x表基于干涉測(cè)量原理。

這種設(shè)備能夠獲得非常精確的測(cè)量。利用菲佐干涉儀(FIzeauinterferometer)等，直徑為-100mm的部分表面的等高線(xiàn)圖能夠精確到大約10納米(在可見(jiàn)光波長(zhǎng)的1/10和1/100之間)。基于顯微鏡的干涉儀(例如，基于掃描白光技術(shù)的那些干涉儀)能夠精確地測(cè)量特征的高度，在～1mm直徑區(qū)域的范圍內(nèi)高于納米。菲佐干涉儀和顯微鏡干涉儀的性能滿(mǎn)足所有情況，除非最苛刻的應(yīng)用。然而，隨著時(shí)間的推移，應(yīng)用要求變得更嚴(yán)格。例如，光刻具有精確散射(“閃光”)要求。這些需要在包括從0.1-10mm-x波帶的空間頻率范圍內(nèi)的次納米精度測(cè)量。這個(gè)波帶是在菲佐干涉儀的橫向分辨能力的高端，但是，在干涉顯微鏡的低端。

市場(chǎng)上可買(mǎi)到的干涉顯微鏡能夠達(dá)到本申請(qǐng)的高精度(或接近)，但是，達(dá)不到橫向范圍要求。使用較低放大倍率的顯微物鏡增加橫向范圍，但這種方法僅僅對(duì)平坦(或接近平坦)表面有效。由于它們與儀表參考面的很大偏離(彎曲部分與平參考面相比)，不能測(cè)量曲面(球面或非球面)。

市場(chǎng)上可買(mǎi)到的菲佐干涉儀能夠很容易達(dá)到橫向范圍要求。然而，為了達(dá)到需要的分辨率(-100微米)，干涉儀需要更大的放大倍率是很平常的。相當(dāng)簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)計(jì)改型能夠解決這個(gè)問(wèn)題。更大的挑戰(zhàn)是菲佐干涉儀的高精度，它的精度通常比干涉顯微鏡的低。更低精度的主要因素是更高的光相干性、不能精確地聚焦在測(cè)試表面、和校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差的更大難度。需要新發(fā)明來(lái)提高本領(lǐng)域當(dāng)前的狀態(tài)。相關(guān)的挑戰(zhàn)是當(dāng)測(cè)量的表面為非球面時(shí)極高的要求。

隨著測(cè)量光源的相干性提高，所得到的測(cè)量結(jié)果對(duì)缺陷諸如擦痕、灰塵顆粒、斑點(diǎn)、和陰影反射更靈敏。這種缺陷會(huì)降低測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性并且也帶來(lái)系統(tǒng)誤差(偏差)。現(xiàn)有技術(shù)中存在有效降低光源相干性的各種技術(shù)，以降低這種誤差，而不會(huì)過(guò)度降低其它性能。例如，參見(jiàn)Kuechel的美國(guó)專(zhuān)利No.5,357,341；Freischlad的No.6,061,133；和Deck等的No.6,643,024。然而，這些技術(shù)使系統(tǒng)對(duì)聚焦誤差更靈敏。而且，越高的空間頻率表面特征的分辨率對(duì)聚焦誤差的也越靈敏。因此，測(cè)量系統(tǒng)的合適聚焦變得非常重要。

最佳焦距位置取決于干涉儀光學(xué)系統(tǒng)和測(cè)試元件的曲率半徑。對(duì)于給定的球面(鋼琴)測(cè)試件，只有當(dāng)干涉儀光學(xué)系統(tǒng)變化時(shí)這些參數(shù)才變化。當(dāng)測(cè)試零件時(shí)，這種情況一般不出現(xiàn)，所以干涉儀操作者通常能夠手工調(diào)焦到足夠精度，以獲得滿(mǎn)足要求的測(cè)量結(jié)果。然而，非球面具有兩個(gè)局部主曲率半徑，它們根據(jù)要檢測(cè)的非球面的部位而變化。因此，對(duì)于任何給定的部位，在指定要測(cè)試的標(biāo)定半徑時(shí)存在一些自由度。改變標(biāo)定曲率半徑意味著改變最佳測(cè)試位置(相對(duì)于干涉儀的光學(xué)系統(tǒng))。這種測(cè)試物體位置的改變(變化)意味著最佳焦距位置也改變。因此，對(duì)于非球面，干涉儀的最佳焦距位置取決于當(dāng)前要測(cè)量的表面部位。

現(xiàn)有技術(shù)中，用戶(hù)調(diào)整焦距的方法不足以實(shí)現(xiàn)在測(cè)試非球面的多點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)量(即，在測(cè)量中不需要用戶(hù)手工重調(diào)焦距)。自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)也提高測(cè)量重復(fù)性，因?yàn)闀?huì)消除操作者手工聚焦技術(shù)的振動(dòng)。其它裝置(諸如照相機(jī))采用自動(dòng)聚焦技術(shù)，但是，這些裝置不能直接應(yīng)用于光學(xué)表面的測(cè)量。所謂的“無(wú)源”方法依靠?jī)?yōu)化圖像的結(jié)構(gòu)對(duì)比度。因?yàn)楣鈱W(xué)表面通常沒(méi)有明顯的表面結(jié)構(gòu)，即，它們非常光滑，這種方法失效(非常像試圖對(duì)無(wú)特征的目標(biāo)諸如無(wú)云的天空聚焦時(shí)的情況)。然而，“有源”自動(dòng)聚焦方法測(cè)量用一些輔助儀表測(cè)量目標(biāo)的距離，并且利用光學(xué)系統(tǒng)的知識(shí)來(lái)計(jì)算必需的焦距位置。盡管這個(gè)基本原理可應(yīng)用于波前測(cè)量?jī)x表，還有潛在改進(jìn)的地方。因?yàn)椴ㄇ皽y(cè)量?jī)x表已經(jīng)將發(fā)射照明光(和檢測(cè)反射光)作為它的基本功能部分，為了測(cè)量距離，采用這種儀表而不采用其它系統(tǒng)的手段是理想的。而且，波前測(cè)量?jī)x表的精確光學(xué)參數(shù)并不被人熟知。(例如，它可以使用市場(chǎng)上可買(mǎi)到的精確設(shè)計(jì)的透鏡子組件。)因此，當(dāng)它們符合焦距時(shí)，用于校準(zhǔn)這些參數(shù)的方法要明顯改進(jìn)。