利用刀口作為檢測(cè)標(biāo)記的波像差檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及波像差檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法，特別是一種利用刀口作為檢測(cè)標(biāo)記的波 像差檢測(cè)系統(tǒng)及基于刀口測(cè)試技術(shù)和掃描相干衍射成像(Ptychography)技術(shù)的波像差檢 測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 波像差檢測(cè)技術(shù)大致可以分為兩大類:一類是基于瞳面測(cè)量的波像差檢測(cè)技術(shù)， 包括Shack-Hartmann傳感器、點(diǎn)衍射干涉儀和剪切干涉儀等；另一類是基于空間像測(cè)量的 波像差檢測(cè)技術(shù)。兩類技術(shù)風(fēng)格迥異卻各顯千秋。從技術(shù)手段上看，前者是通過(guò)某種技術(shù)手 段從當(dāng)前探測(cè)結(jié)果中提取出波前信息（如Shack-Hartmann傳感器從光線像差中提取出波像 差的差分?jǐn)?shù)據(jù)，剪切干涉儀從干涉強(qiáng)度中提取出波像差的差分?jǐn)?shù)據(jù)）；而后者則利用光場(chǎng)傳 播過(guò)程由測(cè)得的空間像反演出瞳面的波像差。從數(shù)值實(shí)現(xiàn)上看，前者一般先得到波像差的 差分?jǐn)?shù)據(jù)，然后再采用某種數(shù)值方法(如Rimmer Method)由波像差的差分?jǐn)?shù)據(jù)得到波像差 數(shù)據(jù);而后者則通過(guò)光場(chǎng)傳播過(guò)程的迭代優(yōu)化找尋最優(yōu)解，直接得到波像差數(shù)據(jù)。從應(yīng)用范 圍上看，基于瞳面測(cè)量的波像差檢測(cè)技術(shù)不存在迭代優(yōu)化的過(guò)程，因而在計(jì)算速度和穩(wěn)定 性上要優(yōu)于基于空間像測(cè)量的波像差檢測(cè)技術(shù)，但前者系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，且在應(yīng)用于大 數(shù)值孔徑和低光子通量的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)越來(lái)越難克服系統(tǒng)誤差;而基于空間像測(cè)量的波像差 檢測(cè)技術(shù)雖然在計(jì)算速度和穩(wěn)定性上受限于所采用的迭代算法和迭代次數(shù)，但它的優(yōu)勢(shì)在 于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)誤差相對(duì)不敏感，這在應(yīng)用于大數(shù)值孔徑和低光子通量的光 學(xué)系統(tǒng)時(shí)尤為體現(xiàn)。本發(fā)明涉及的利用刀口作為檢測(cè)標(biāo)記的波像差檢測(cè)系統(tǒng)采用的就是基 于空間像測(cè)量的波像差檢測(cè)技術(shù)，它繼承了該技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)不失檢測(cè)精度。
[0003] 本發(fā)明涉及的基于空間像測(cè)量的波像差檢測(cè)技術(shù)借鑒了刀口測(cè)試技術(shù)和掃描相 干衍射成像(Ptychography)技術(shù)的思想。刀口測(cè)試技術(shù)（參見(jiàn)在先技術(shù)1，L.M. Foucault， Description des procedes employes pour reconnaitre la configuration des surfaces optiques，C.R·Acad. Sci .Paris，47，958，1858)的原理是用刀口切割待測(cè)系統(tǒng)的 焦面或像面，在焦面或像面之后的觀測(cè)面會(huì)得到介于全亮與全暗之間的近乎均勻的陰影 圖，根據(jù)陰影圖的明暗分布可判斷待測(cè)系統(tǒng)的波像差。這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操 作方便，靈敏度高，便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，但定性的成分比較大。改進(jìn)的刀口測(cè)試技術(shù)(參見(jiàn)在先技 術(shù)2，Donald E.Vandenberg,ffil1iam D·Humbel，Alan Wertheimer，"Quantitative evaluation of optical surfaces using an improved Foucault test approach"， Proc.SPIE 1542，Active and Adaptive Optical Systems，534，December 1，1991)可進(jìn)行 定量分析，但需要在觀測(cè)面采集一系列的陰影圖以確定每個(gè)像素的暗場(chǎng)閾值所對(duì)應(yīng)的刀口 位置，這不僅需要額外的設(shè)備和操作，增加了檢測(cè)設(shè)備的復(fù)雜性和系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間，而且檢 測(cè)精度也受限于刀口的移動(dòng)精度和陰影圖的采集數(shù)量。Ptychography技術(shù)(參見(jiàn)在先技術(shù) 3 ?J.M.Rodenburg and H.M.L.Faulkner,αΑ phase retrieval algorithm for shifting illumination"，Applied Physics Letters 85,4795,2004)是一種相位恢復(fù)技術(shù)，與之相 應(yīng)的相位恢復(fù)算法稱為PIE(Ptychographic Iterative Engine)算法，它的原理是將照明 光波照射到檢測(cè)標(biāo)記上，檢測(cè)標(biāo)記在垂直于光軸的平面內(nèi)做步進(jìn)掃描，每一步掃描均與上 一步有部分重疊，觀測(cè)面記錄檢測(cè)標(biāo)記在每步掃描時(shí)形成的衍射圖樣，通過(guò)檢測(cè)標(biāo)記所在 平面和觀測(cè)面之間光場(chǎng)傳播過(guò)程的反復(fù)迭代運(yùn)算，得到照明光波或檢測(cè)標(biāo)記的相位信息。 由于在分別恢復(fù)每步掃描時(shí)的結(jié)果也要同時(shí)滿足其他掃描結(jié)果的約束，最后的恢復(fù)結(jié)果將 是所有掃描結(jié)果的共同解，這也是PIE算法的恢復(fù)精度較之于傳統(tǒng)相位恢復(fù)算法（如GS算 法、輸入輸出法)高的原因。PIE算法最初應(yīng)用于在已知照明光波的情況下恢復(fù)檢測(cè)標(biāo)記，而 事實(shí)上通過(guò)已知檢測(cè)標(biāo)記恢復(fù)照明光波也是可行的（參見(jiàn)在先技術(shù)4,Antoine Wojdylaa, Ryan Miyakawaa,Patrick Naulleaua,"Ptychographic wavefront sensor for high-NA EUV inspection and exposure tools'',Proc. of SPIE ,Vol. 9048,904839 · ?2014SPIE), 故而該方法可以應(yīng)用到投影物鏡波像差檢測(cè)領(lǐng)域中。Ptychography技術(shù)在應(yīng)用于波像差檢 測(cè)領(lǐng)域中雖能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，但存在以下不足：1)引入了圖樣復(fù)雜的檢測(cè)標(biāo)記和需要 進(jìn)行多次掃描操作，增加了檢測(cè)設(shè)備的復(fù)雜性和系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間，2)檢測(cè)標(biāo)記的空間分布 難以準(zhǔn)確測(cè)量，3)多次掃描下的檢測(cè)標(biāo)記相對(duì)于照明光波的位置難以準(zhǔn)確確定。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于結(jié)合上述在先技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服上述在先技術(shù)的不足，提供一 種利用刀口作為檢測(cè)標(biāo)記的波像差檢測(cè)系統(tǒng)及基于刀口測(cè)試技術(shù)和Ptychography技術(shù)的 波像差檢測(cè)方法。該波像差檢測(cè)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少觀測(cè)面圖樣的采集次數(shù)，提高 系統(tǒng)的檢測(cè)速度和精度。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0006] -種利用刀口作為檢測(cè)標(biāo)記的波像差檢測(cè)系統(tǒng)，包括相干點(diǎn)光源，沿該相干點(diǎn)光 源光束傳播方向依次是作為檢測(cè)標(biāo)記的刀口圖形、固定該刀口圖形的檢測(cè)標(biāo)記調(diào)節(jié)位移臺(tái) 和二維光電傳感器，待測(cè)投影物鏡置于所述的相干點(diǎn)光源和所述的刀口圖形之間，所述的 相干點(diǎn)光源位于所述的待測(cè)投影物鏡的物面上，所述的刀口圖形固定于所述的檢測(cè)標(biāo)記調(diào) 節(jié)位移臺(tái)上，并通過(guò)檢測(cè)標(biāo)記調(diào)節(jié)位移臺(tái)置于所述的待測(cè)投影物鏡的像面上，所述的二維 光電傳感器位于待測(cè)投影物鏡像面之后的觀測(cè)面上，觀測(cè)面與像面之間的距離使觀測(cè)面上 有效光斑的直徑小于二維光電傳感器光敏面的直徑；
[0007] 所述的相干點(diǎn)光源的輸出數(shù)值孔徑大于所述的待測(cè)投影物鏡的物方數(shù)值孔徑；
[0008] 所述的刀口圖形是由不透光部分和透光部分組成的二值圖形，該二值圖形含有η 條刀口分界線，η 2 3，刀口分界線的長(zhǎng)度大于待測(cè)投影物鏡像面光斑的直徑;所述的檢測(cè)標(biāo) 記調(diào)節(jié)位移臺(tái)是ΧΥΖ三軸位移臺(tái)，它將刀口圖形固定于待測(cè)投影物鏡的像面上，并使刀口圖 形其中一條刀口分界線切割待測(cè)投影物鏡的像面光斑，且使該刀口分界線與光軸的距離在 0. δλ/NAi之內(nèi)，其中NAi是待測(cè)投影物鏡的像方數(shù)值孔徑。
[0009] 所述的二維光電傳感器是(XD、CM0S，或二維光電探測(cè)器陣列。
[0010] 所述的利用刀口作為檢測(cè)標(biāo)記的波像差檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行波像差檢測(cè)的方法，包含下 列步驟：
[0011] ①選擇輸出數(shù)值孔徑大于待測(cè)投影物鏡的物方數(shù)值孔徑的相干點(diǎn)光源，將該相干 點(diǎn)光源放置在待測(cè)投影物鏡的物面上，使相干點(diǎn)光源發(fā)出的相干光進(jìn)入待測(cè)投影物鏡后成 像于待測(cè)投影物鏡的像面上，將二維光電傳感器放置在待測(cè)投影物鏡像面之后的觀測(cè)面 上，該觀測(cè)面與像面之間的距離能使觀測(cè)面上有效光斑的直徑小于二維光電傳感器光敏面 的直徑，所述的二維光電傳感器記錄無(wú)刀口時(shí)觀測(cè)面上的衍射圖樣I〇(U，V)，其中1!，7為系 統(tǒng)在觀測(cè)面上的坐標(biāo)；
[0012]②將刀口圖形固定于檢測(cè)標(biāo)記調(diào)節(jié)位移臺(tái)上，沿光軸方向調(diào)整所述的檢測(cè)標(biāo)記調(diào) 節(jié)位移臺(tái)的位置，使刀口圖形位于所述的待測(cè)投影物鏡的像面上，在垂直光軸的平面內(nèi)調(diào) 整檢測(cè)標(biāo)記調(diào)節(jié)位移臺(tái)的位置，使刀口圖形其中一條刀口分界線切割待測(cè)投影物鏡的像面 光斑，且刀口分界線與光軸的距離在Ο.δλ/ΝΜ之內(nèi)，二維光電傳感器記錄此時(shí)觀測(cè)面上的 衍射圖樣Ii(u，v);
[0013]③優(yōu)化如下目標(biāo)函數(shù)，得到當(dāng)前方向下的刀□分界線函數(shù)aix+biy = l的兩個(gè)參量 ai，bi:
[0014]
[0015] 其中PQ(x，y)為系統(tǒng)在無(wú)像差的情況下待測(cè)投影物鏡像面上的光場(chǎng)分布，#(x，7) 為Po(x，y)的共輒，Bi(x，y)為當(dāng)前方向下的刀口函數(shù)，它是由刀口分界線函數(shù)aix+biy = l決 定的二倌函數(shù)：
[0016]
[0017] x，y為系統(tǒng)在待測(cè)投影物鏡像面上的坐標(biāo)；
[0018] ④在垂直光軸的平面內(nèi)調(diào)整檢測(cè)標(biāo)記調(diào)節(jié)位移臺(tái)的位置，依次使刀口圖形的其它 n-1條刀口分界線切割待測(cè)投影物鏡的像面光斑，并使刀口分界線與光軸的距離在0.5λ/ ΝΑ之內(nèi)，二維光電傳感器記錄其它η-1個(gè)方向下刀口在觀測(cè)面上的衍射圖樣Μ?,ν)，其中i = 2，···，n;重復(fù)步驟③，得到其它n-1個(gè)方向下的刀口函數(shù)Bi(x，y)，其中i = 2,…，n;n的選 取原則是：一方面使相鄰刀口函數(shù)透光部分的交疊率在30 %以上，另一方面使所有刀口函 數(shù)在各個(gè)位置的邏輯和為1，即
[0019] Bi(x，y) VB2(x，y) V…VBn(x，y)三1，其中 V代表邏輯加；
[0020] ⑤執(zhí)行下述迭代過(guò)程：
[0021] 由猜測(cè)的照明函數(shù)Pg(x，y)和刀口函數(shù)mUj)之乘積得到猜測(cè)的出射光場(chǎng)：
[0022] φ., ； (.V. ,ν) = Ρ, (,ν, ν) · Bi (,ν, v), t - 0,1,2, · · , n
[0023] 其中初始猜測(cè)的照明函數(shù)為系統(tǒng)在無(wú)像差的情況下待測(cè)投影物鏡像面上的光場(chǎng) 分布 Po(x,y)，B()(x，y)^i;
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