高精度点衍射干涉仪球面面形检测系统优化及分析研究

摘要

在高精度的光学加工和装调过程中，相应的高精度检测技术具有着重要的辅助和保障作用。在众多的光学检测方法中，点衍射干涉检测技术作为一种可以实现优于亚纳米级检测精度的技术手段，成为了最具发展潜力的高精度检测方法之一。其中，针孔型点衍射干涉仪，由于其可较为便利的建立不同工作波段的在线检测装置，以及获得大数值孔径的高精度参考波前，因此已成为高精度光学检测领域的一个研究热点。由于国内在相应技术领域的研究水平仍相对滞后，因此，为了建立能够满足当前国内光刻技术发展对于检测技术所提出的新要求的高精度检测装备，特别是为了满足对于在光学系统中应用最为广泛的球面镜的高精度面形检测需求，本论文在已有工作的基础上，针对在建立高精度的针孔点衍射干涉仪球面面形检测系统过程中遇到的影响系统检测能力的关键问题进行了相关分析和优化。
　　本论文研究的内容主要包括:论述了点衍射干涉检测技术作为一种极具潜力的高精度光学检测技术在现代光学加工及装调中的重要保障作用。综合国内外关于点衍射干涉技术，特别是用于极紫外光刻投影物镜检测等高精度检测领域的点衍射干涉仪的研究进展情况，提出了开展关于建立可用于球面面形高精度检测的针孔点衍射干涉系统的相关研究的必要性。
　　介绍了搭建的针孔型点衍射球面面形干涉检测系统的光路布局及整体系统方案。对影响系统检测精度的各类误差进行了讨论，对本论文前期开展的工作进行了总结，并提出了需要进一步优化的方向。
　　建立了用于针孔衍射波前分析的时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）三维仿真模型，应用矢量衍射理论分析了显微物镜的数值孔径及所携带的像差对针孔的衍射波前质量的影响，为实际衍射针孔直径设计，显微物镜的选型等提供了参考依据，从而保证建立的点衍射系统可以满足一定数值孔径范围内的高精度球面面形检测要求。
　　针对点衍射球面面形干涉检测系统在对大数值孔径球面进行检测时遇到的系统误差增大的问题，应用仿真建模的方法对导致误差增大的原因及影响这一误差的系统参数进行了分析，提出了一种对称侧检测误差校正(Systematic Positon Aberration Cancellation，SPAC)方法，并对该方法的有效性进行了仿真和实验验证。
　　针对点衍射球面面形干涉检测系统在对低反射率球面进行检测时因干涉图对比度不佳而检测精度受限的问题，通过引入偏振器件的方法，设计了干涉图对比度可调的点衍射球面面形检测系统，对其实现原理进行了介绍。对系统进行了仿真建模，并对其中的关键元件的加工参数和局部位置进行了优化设计。进行了系统误差分析并提出了相应的基于复原模型优化计算的误差校正方法。
　　搭建了可以进行大数值孔径球面面形检测和可以实现干涉条纹对比度可调的高精度点衍射球面面形干涉检测系统的实验装置。以ZYGO干涉仪作为比对实验，设计了三组点衍射系统实验对本文的研究内容进行了实验验证。应用不同参数的显微物镜及针孔构建的点衍射系统对同一待测球面进行检测，选出了最佳的显微物镜和针孔组合;进行了对数值孔径0.5的大数值孔径球面的面形检测实验，在应用本文提出的相应误差校正方法的基础上，得到的检测误差PV值小于0.0100λ，RMS值小于0.0010λ;分别应用进行了对比度可调优化前后的点衍射干涉系统对反射率为96％和4％的球面进行了面形检测，实验表明这一优化成功提高了点衍射系统对低反射率球面的检测精度，使点衍射系统对不同反射率球面的检测均实现了检测误差PV值优于0.0100λ、RMS值优于0.0010λ的面形检测精度。

目录

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致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外点衍射干涉技术研究历程及进展

1．2．1 点衍射干涉技术研究历程概述

1．2．2 光纤点衍射干涉仪

1．2．3 共路型针孔点衍射干涉仪

1．2．4 针孔点衍射干涉面形检测系统

1．3 本论文的主要研究内容和完成的工作

1．4 本论文的主要创新点

2 高精度点衍射球面面形干涉检测技术概述

2．1 高精度点衍射球面面形干涉检测系统布局及原理

2．2 影响系统检测精度的主要误差

2．2．1 影响针孔衍射波前质量的关键元件及其参数

2．2．2 其他影响系统检测精度的误差

2．3 本章小结

3 照明显微物镜像差对针孔衍射波前质量的影响分析

3．1 照明显微物镜的聚焦光场分布分析

3．1．1 显微物镜聚焦光场分布的矢量衍射分析

3．1．2 带像差聚焦物镜的焦点光波场分析

3．2 基于时域有限差分算法的针孔衍射波前质量分析

3．2．1 基于FDTD算法的针孔衍射波前仿真流程

3．2．2 基于FDTD算法的针孔衍射波前仿真模型

3．3 照明显徼物镜不同像差对针孔衍射波前质量的影响

3．3．1 针孔衍射波前的强度分析

3．3．2 针孔衍射波前的相位分布

3．4 本章小结

4 大数值孔径球面面形的点衍射检测中的布局几何系统误差分析

4．1 系统布局特性引入的几何系统误差

4．2 基于仿真的布局几何系统误差分析

4．2．1 布局特性引入的系统波像差的主要成分分析

4．2．2 检测数值孔径对布局几何系统误差的影响

4．2．3 横向偏移量对布局几何系统误差的影响

4．3 对称侧检测SPAC误差差校正方法

4．3．1 SPAC误差校正原理及过程

4．3．2 SPAC误差校正方法的计算机仿真验证

4．4 本章小结

5 高精度点衍射球面面形检测系统对比度可调技术

5．1 基于偏振技术的点衍射干涉仪对比度调整原理

5．2 检测路真零级四分之一波片引入系统误差的分析

5．2．1 偏振膜层引入误差的分析

5．2．2 波片玻璃基底引入误差的分析

5．3 检测路四分之一波片的玻璃基底参数和布局设计

5．3．1 参数设计

5．3．2 布局设计

5．3．3 定位误差引入的波前误差

5．4 检测路四分之一波片引入的系统误差消除方法

5．4．1 波片引入误差的校正处理过程

5．4．2 校正方法的仿真验证

5．5 本章小结

6 高精度点衍射系统的球面面形检测实验

6．1 高精度点衍射球面面形检测实验系统

6．1．1 实验系统布局

6．1．2 验证实验体系

6．2 照明显徼物镜像差对点衍射面形检测的影响

6．2．1 点衍射系统实际使用的显微物镜对应的衍射波前的评价

6．2．2 应用不同显微物镜及针孔构建的点衍射系统的面形检测实验比较

6．3 大数值孔径球面面形检测实验

6．3．1 验证实验设计及其流程

6．3．2 大数值孔径球面面形检测实验结果及SPAC误差校正方法验证

6．4 高精度点衍射球面面形检测系统的对比度调整实验

6．4．1 干涉条纹对比度调整效果实验验证

6．4．2 对比度可调的点衍球面射面形检测系统的球面检测实验结果

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 本文工作总结

7．2 本论文的主要创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

作者简历