点衍射干涉检测技术

本文介绍了点衍射干涉仪不同发展阶段的特点和应用。点衍射干涉仪由波长量级的针孔产生高质量的球面波作为参考波前,能够得到衍射极限性能的分辨率。按照不同的光路特点,点衍射干涉仪可分为点衍射共路干涉和点衍射非共路干涉两种结构,主要应用于高精度波前检测和面形检测。共路干涉结构简单紧凑,对环境振动不敏感,对光源相干度要求不高,可利用光束偏振态及光栅衍射分束的特性对传统点衍射板进行改造,在全共路点衍射干涉仪中引入时间相位调制技术和干涉对比度可调技术,可进一步提高波前检测精度。采用反射式针孔和各种光纤结构发展了非共路点衍射干涉仪,实现了大口径、高精度球面反射镜面形的测量。本文重点阐述了用于极紫外光刻投影物镜中高精度球面反射镜面形检测的反射式针孔点衍射干涉仪,并展望了点衍射检测技术在生物检测等领域的应用前景和发展趋势。

光纤点衍射干涉仪的技术研究

提出一种用光纤实现点衍射干涉的方法 ,由两根光纤分别传输参考光和测试光 ,利用单模光纤的小纤芯所产生的高质量衍射球面波进行超精面形的测量。与传统的干涉仪相比 ,该方法结构相对简单 ,误差来源少 ,且不需要传统干涉仪中的高质量标准面 。

用于非球面点衍射检测的最佳匹配球参量获取方法研究

针对非球面点衍射干涉检测中的欠采样问题,为了减小干涉条纹的密度,提出了一种基于最小反射会聚光斑半径求解最佳匹配球球心位置的方法.首先分析了获取最佳匹配球球心位置对实现非球面光学元件高准确度面形检测所起的重要作用,指出了以最小反射会聚光斑作为最佳匹配球球心位置的判断依据;然后运用光线追迹和迭代法推导了最佳匹配球球心位置的计算模型,并比较了各种非球面度定义下的最佳匹配球球心位置;最后分析了非球面参量对最佳匹配球球心位置及会聚光斑半径的影响.结果表明,基于最小会聚光斑半径求得的最佳匹配球面参量是适合非球面点衍射干涉检测模型的,并可以用于指导干涉仪的装调及后续波前重建参量的确定.

193nm移相点衍射干涉仪的测量误差分析

为了提高移相点衍射干涉仪对193nm投影光刻系统的检测精度,本文对其主要测量误差进行了探讨。在简要介绍了193nm移相点衍射干涉仪的基本结构和测量原理之后,总结了可能对测量结果产生影响的各种误差及其产生的原因。通过理论分析和数值模拟的方法分别对参考波前误差、相移误差、探测器非线性误差以及光源波动、环境变化引起的随机误差等进行了具体分析,从而得到各种测量误差的大小、存在形式以及与干涉仪结构参数的依赖关系,并提出了相应的避免或减小误差的方法。

空域移相偏振点衍射波前检测技术

点衍射干涉仪结构简单、共光路、测量精度高,空域移相干涉仪抗振性能优越,两者在波前检测领域获得了广泛的应用.本文采用激光打孔技术,通过在金属纳米线栅偏振片上制备小孔,制作了偏振点衍射板;结合分光结构的空域移相技术,搭建了空域移相偏振点衍射干涉仪,并对一焦距为550 mm,F_#10的平行光管准直物镜透射波前进行测量,与法国Phasics公司生产的商业化波前传感器SID4的测量结果相比较,两者峰谷值相差0.09λ,均方根值相差0.012λ;利用35项Zernike多项式拟合两者的测量结果,将拟合得到的系数在同一坐标轴下绘制成两条曲线,两者基本重合,从而验证了所搭建的空域移相偏振点衍射波前检测装置的测试精度.从而在传统点衍射干涉仪的基础上引入了空域移相技术,实现了波前的高分辨率、高精度、实时检测,并且提高了对振动、气流等环境因素的抗干扰能力.

可见光移相点衍射干涉仪的测试误差分析

为了实现对极紫外光刻投影物镜非球面反射镜的超高精度检测,引入了可见光移相点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并采用自行设计的十三步移相算法和传统五步移相算法对可见光移相点衍射干涉仪的测试误差进行了详细的理论分析及仿真计算,分析结果证明了十三步算法优越性的同时,也给出了要实现干涉仪的超高检测精度应该限定的测试组件的性能参数。为了验证可见光移相点衍射干涉仪及十三步算法的切实可行性,搭建了原理实验装置,通过40次重复测量取平均值的方法获得被检元件面形。实验结果表明:十三步算法和五步算法的结果相近,但十三步算法的重复性优于五步算法。采用十三步算法,在所构建的实验装置上实现了RMS值优于λ/10 000(λ=632.8 nm)的检测重复性。

移相式点衍射干涉仪的几个关键技术

极紫外光刻技术作为下一代光刻技术的最佳候选技术,为了得到衍射极限的分辨率,光学系统的RMS波像差应小于其工作波长的1/14,约为1 nm,这对检测技术提出了前所未有的要求。本文以应用于极紫外光刻光学系统波像差检测中的移相式点衍射干涉仪为基础,对干涉仪中几个关键技术进行了讨论,并给出了相应的解决方法。

点衍射波前位相的测评

提出一种检测点衍射干涉仪关键部件针孔所产生的衍射光学波前的方法。介绍了点衍射波前的产生原理,分析了小孔质量状态、照明光路调整状态与波前各个像差分量之间的关系。基于信息光学基础理论,采用傅里叶变换和迭代算法,采集针孔衍射图像并进行计算分析,实现对衍射波前的位相复原以获得波前信息。阐述了测试方法的理论依据和计算公式,应用研制的位相复原分析计算软件测试并分析了实际采集的点衍射图像,通过15次的迭代,输出的位相值逐渐收敛,图像误差因子下降到0.12。目前,该方法已用于对针孔的筛选和针孔照明系统的装调中,实验结果证明了该测试方法的可行性。

点衍射干涉仪系统误差标定算法研究

为评估面形检测点衍射干涉仪的检测精度,提出用被检镜倾斜旋转法标定点衍射干涉仪的系统误差,研究可同时分离出被检球面镜旋转对称及旋转非对称面形误差的标定算法。将被检球面镜绕初始光轴及相对成小角度的倾斜光轴作两次平分角度旋转检测,利用单次平分旋转检测数据估计出被检镜面形的旋转非对称部分,利用两次旋转检测重叠区域各点系统误差不变性构建旋转对称部分的差值方程,运用最小二乘法求解用泽尼克多项式表述的旋转对称部分的系数,估计出的被检镜面形的旋转对称部分,两者相加估计得被检镜的真实面形。从干涉仪测试数据中减去被检镜的真实面形数据计算得系统误差。分析标定原理,推导标定算法公式,并仿真验证算法正确性。仿真研究结果表明,经算法估计的被检镜面形和系统误差与仿真输入值吻合,方均根误差的差值均小于0.03 nm,残差的方均根值均小于0.3 nm,满足亚纳米级标定精度需求。

光纤相移点衍射干涉仪关键技术

为了实现光学系统波像差的高精度检测,引入了改进的光纤相移点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并对干涉仪的关键部件包括激光光源及光纤的参数进行了选择和分析。经测试,激光光源功率稳定性约为1%(10 min),光斑尺寸在实现最佳耦合效率允许范围内,光束位置稳定度约为6μm,相干长度为1 cm左右,都在测试精度允许范围内;选择了纤芯直径为3.5μm的单模不保偏光纤,对光纤端面镀半反半透金属膜,实现了较高的条纹对比度和光能利用率,并设计了波前参考源,方便了光纤端面的抛光、镀膜及装卡。最后,利用选择的部件搭建了光纤相移点衍射干涉仪实验装置,为最终能够实现光学系统波像差的高精度检测提供了前期的准备。

点衍射干涉系统光学结构参数优化研究

采用时域有限差分方法,在分析点衍射波前误差的前提下,讨论了点衍射干涉系统中物镜数值孔径、针孔尺寸、检测的数值孔径对衍射光强的影响;逐步优化光学结构参数,得到不同光学结构参数之间的匹配数值表;通过比较点衍射干涉系统和Zygo干涉仪对球面镜的测量结果,得到测量面形误差的均方根之差为波长的1/1000,且获得的干涉条纹具有合适的对比度和亮度,验证了光学结构参数选择的合理性。

双光纤相移点衍射干涉仪装调技术

为了实现对极紫外光刻物镜系统波像差的超高精度检测,引入了双光纤相移点衍射干涉仪,介绍了其工作原理,并对干涉仪的装调方案进行了精密的设计。解决了各个元器件的精确定位问题,保证了进入光纤之前的测试光和参考光严格垂直,实现了耦合系统与光纤之间最大的耦合效率和干涉条纹最大的条纹对比度,为最终能够实现极紫外光刻物镜系统波像差的超高精度检测提供了前期准备。装调完毕后,利用实验装置对某一光学系统进行了测量,使用十三步相移算法还原被检光学系统波像差,得到了较好的结果,测试结果为:PV值为37.82 nm,RMS值为7.83 nm。

扫描力显微镜中的点衍射干涉现象及其应用

本文论述了扫描力显微镜中的点衍射干涉现象，论证了硅微探针可以作为后向点衍射板并用于检测微探针变位的光学原理。根据这一原理设计了一种新型灵巧的扫描力显微镜，它具有更好的抗干扰能力，稳定优质的光电信号。理论分析及实测表明，该扫描力显微镜具有０．０１ｍｍ 的纵向分辩率、５ｎｍ 左右的横向分辨率。

可见光移相点衍射干涉仪的空气扰动误差分析

为了提高可见光移相点衍射干涉仪的测量精度， 对空气扰动误差的分析以及有效的抑制是十分必要的。 利用自行设计的十三步移相算法与传统的五步移相算法对空气扰动误差进行了理论分析与仿真计算，分析结果证明了新算法的优越性，并且通过对干涉仪的空气扰动误差的分析，最终得到了干涉仪工作的环境控制条件， 如果采用十三步移相算法， 保证空气温度变化控制在±0.005 ℃以内，压强变化控制在±1 Pa 以内，水汽压变化控制在±5 Pa 以内，温度梯度变化控制在 0~0.01 ℃范围内，压强梯度变化控制在 0~2 Pa 范围内，最后再对多次测量结果取平均，则空气扰动误差引起的位相误差将在测量精度允许的范围内。 在现有的实验条件下搭建了原理实验装置，实验结果表明：十三步算法和五步算法的结果相近，但十三步算法的重复性优于五步算法。 采用十三步算法，在所构建的实验装置上实现了 RMS 值优于 λ/10 000（λ=632.8 nm）的检测重复性。

环形共光路点衍射干涉仪

建立了一种基于偏振掩膜板与环形共路结构的点衍射干涉仪,通过旋转偏振片可以改变参考光与测试光之间的相对光强,实现干涉条纹对比度的调节,能够获得最高对比度的干涉条纹,并且针对条纹对比度进行了详细的理论分析;由于系统中线性载频幅度极易调节,可以有效地改善傅里叶变换法的相位提取精度;验证性实验被完成。

基于衍射机制数码成像中场曲标定及其像素像点的校正

基于衍射成像机制分析探讨了场曲的成因与特征,针对数码成像中感光芯片的结构与工作原理,提出了数码成像时场曲的标定及其像素校正的设想和方法,模拟实验表明这种方法的可行性,有助于实现数码成像时场曲自动标定及其像素校正,还有利于改进调控景深、快门、光圈以及感光度与白平衡等关键技术。

扫描力显微镜中的点衍射干涉现象及其应用

本文论述了扫描力显微镜中的点衍射干涉现象，论证了硅微探针可以作为后向点衍射板并用于检测微探针变位的光学原理。根据这一原理设计了一种新型灵巧的扫描力显微镜，它具有更好的抗干扰能力，稳定优质的光电信号。理论分析及实测表明，该扫描力显微镜具有０．０１ｎｍ的纵向分辨率、５ｎｍ左右的横向分辨率。

光栅点衍射干涉法检测Φ400mm瞬态波前

提出了一种基于光栅点衍射干涉原理的Φ400mm瞬态波前检测方法。该方法使用位相光栅在参考光与测试光中引入横向错位,即在干涉图中引入线性载频,然后利用傅里叶变换相位解调法提取待测波前。基于标量衍射理论以及傅里叶光学理论建立了瞬态波前检测方案的理论模型,推导了线性载频公式,研究了影响载频大小的因素;基于基尔霍夫公式分析了针孔衍射导致的孔径角变化与能量衰减效应,给出了位相光栅的刻蚀深度公式。实验搭建了Φ400mm瞬态波前检测装置,采集了对比度良好的高线性载频干涉图。采用傅里叶变换相位解调法恢复波面,所得波面RMS值为0.105λ。与采用SID-4波前探测器测得的波面RMS值(0.101λ)基本一致,满足了Φ400mm瞬态波前测量的要求。

单色点源矩孔菲涅耳衍射光场的计算与模拟

点源照射的衍射较平面光照射的衍射更具一般性,对光束的传输与变换、光学系统的衍射成像以及光信息处理等方面有重要作用.首先由菲涅耳——基尔霍夫衍射公式得到单色点源照射矩孔产生的衍射光场的积分表达式,然后推导了单色点源照射矩孔产生的菲涅耳衍射及其特殊情况夫琅禾费衍射的光场的计算式.利用Matlab软件计算模拟了它们傍轴区的衍射图样,模拟试验表明了推导的计算式的有效性与可靠性.这些有利于对相关的衍射理论与技术的进一步研究.

单色点源圆孔衍射的数值模拟实验

根据平面屏衍射的特点,由菲涅尔-基尔霍夫衍射公式得到单色点源圆孔衍射的积分表达式,然后提出了单色点源圆孔衍射的一种数值计算方法,用Matlab软件进行计算机数值模拟实验研究单色点源照射圆孔产生衍射的傍轴区的光场,有助于对相关衍射实验及衍射理论与技术的进一步研究。这种计算机仿真方法扩展了衍射问题的研究途径与方法,具有一定的应用价值,尤其对于教学具有直观作用。