[發明專利]一種利用小孔衍射波面拼接測量面形的檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201410264644.1
• 申請日: 2014-06-14
• 公開（公告）號: CN104034279A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 賈辛;許嘉俊;徐富超;謝偉民;邢廷文
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明屬于光學面形檢測技術領域，具體涉及一種利用小孔衍射波面拼接測量面形的檢測裝置及方法。

背景技術

點衍射干涉儀是利用小孔衍射產生標準參考球面波來進行干涉測量，子孔徑拼接測量方法是把待測面分成一個個子口徑進行拼接測量，可以提高檢測的橫向分辨率。

點衍射干涉儀(Point?Diffraction?Interferometer，PDI)的提出解決了高精度測量中參考面加工的難題，其主要特點在于不采用傳統的參考面，而從波動光學的觀點出發，利用小孔衍射來產生理想參考球面波，從而消除了參考面加工水平對測量精度的限制，使面向亞納米量級的高精度測量成為可能。

1933年，W.Linnk首次提出可以用小孔衍射產生的理想球面波作為干涉儀的參考波面，形成了點衍射干涉儀理論的雛形，但由于受到當時技術水平的限制，并沒有真正應用到測量上。1975年，R.N.Smartt和W.H.Steel在其發表的文章中正式闡述了點衍射干涉儀的原理及其應用，奠定了現代點衍射干涉儀發展的基礎。他們所發明的點衍射干涉儀，其主要部分是一個透過率為1％的薄膜，上面含有一個很小的針孔(pinhole)，較低的透過率是為了使兩束光的光強接近。當會集的被測光經過薄膜平板時，透射的被測光除了能量下降之外，波面形狀基本不發生變化；而在有像差的彌散斑區域，位于焦點附近的小孔發生衍射，產生了理想的標準球面波，成為測量中的參考光波，與透過的被測光波形成干涉條紋，通過分析干涉條紋的形狀就可以得到被測波前的信息。這種干涉儀結構和原理非常簡單，同時由于采用了共光路結構，環境因素的影響比較小；其缺點是光能利用率太低，同時不能進行移相測量，導致其精度很難得到提高。

1996年，美國勞倫斯—伯克利國家實驗室的H.Medecki、E.Tejnil等人提出了移相點衍射干涉儀(Phase-shifting?Point-diffraction?interferometer,PS-PDI)的概念，即在點衍射干涉儀的基礎上引入一個衍射光柵作為分光元件，并將像平面的半透明掩膜改為不透明掩膜，使得點衍射干涉儀性能獲得了很大提高。這種點衍射干涉儀的基本結構，當照明球面波入射到移相光柵之后形成了不同的衍射級次，它們經過被測系統后會聚到像平面的不同位置，在像面上放置一個空間濾波器，使得攜帶被測系統信息的零級衍射光經方孔直接通過，而一級衍射光經過小孔衍射濾波產生理想參考球面波，其他級次都被吸收，探測器(CCD)上得到的是這兩束光的干涉條紋。當上下移動光柵時，兩束光之間就會有位相差變化，這樣就可以進行移相干涉測量。

為了不斷滿足對EUV(極紫外)光刻系統的測量要求，1996年以來，勞倫斯－伯克利國家實驗室的研究者采用13.4nm的同步輻射光源成功研制了EUV相移點衍射干涉儀，其對EUV系統的RMS測量精度達到亞納米量級，為極紫外光刻技術的發展掃清了障礙。

從上世紀末開始，日本研究者也開始了對點衍射干涉儀的研究。為了對EUV光刻系統進行檢測，日本超先進電子技術研究協會(Association?of?Super-Advanced?Electronics?Technology,ASET)和Nikon等公司對點衍射干涉儀進行了研究，其采用的一種點衍射干涉儀采用一個具有小孔的反射板，小孔衍射球面波的一部分作為參考光波，而另一部分光經過被測面和反射面的兩次反射，與參考光發生干涉。由于此結構不是共光路系統，所以對光源的相干性以及環境的穩定性要求很高，所有測量都要在隔振、充氦氣的環境中完成。

同時隨著科學技術的不斷發展，大口徑光學系統在天文光學、空間光學、空間目標探測與識別、慣性約束聚變(ICF)等高技術領域得到了越來越廣泛的應用，因此大口徑光學元件的制造需要與之精度相適應的檢測方法和儀器。

目前大口徑光學元件的表面加工質量一般是使用大口徑的移相干涉儀，這就要求要有一塊與被測元件尺寸相同或者更大的標準面形，而這樣一個高精度的標準表面，不僅加工難度極大，而且制造周期長，制造成本高，這些都無形地增加了檢測的成本和難度。為了尋求一種低成本的檢測手段，國外在20世紀80年代開展了子孔徑拼接這一方案的研究，即使用小口徑、高精度、高分辨率的干涉儀通過相關拼接技術來復原大口徑光學元件的波前相位數據，這是一項新的高精度、大孔徑面形檢測手段，它既保留了干涉測量的高精度，又免去了使用與全孔徑尺寸相同的標準波面，從而大大降低了成本，同時還可以獲得大孔徑干涉儀所截去的波面高頻信息。