[发明专利]利用刀口作为检测标记的波像差检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及波像差检测系统及检测方法，特别是一种利用刀口作为检测标记的波像差检测系统及基于刀口测试技术和扫描相干衍射成像(Ptychography)技术的波像差检测方法。

背景技术

波像差检测技术大致可以分为两大类：一类是基于瞳面测量的波像差检测技术，包括Shack-Hartmann传感器、点衍射干涉仪和剪切干涉仪等；另一类是基于空间像测量的波像差检测技术。两类技术风格迥异却各显千秋。从技术手段上看，前者是通过某种技术手段从当前探测结果中提取出波前信息(如Shack-Hartmann传感器从光线像差中提取出波像差的差分数据，剪切干涉仪从干涉强度中提取出波像差的差分数据)；而后者则利用光场传播过程由测得的空间像反演出瞳面的波像差。从数值实现上看，前者一般先得到波像差的差分数据，然后再采用某种数值方法(如Rimmer Method)由波像差的差分数据得到波像差数据；而后者则通过光场传播过程的迭代优化找寻最优解，直接得到波像差数据。从应用范围上看，基于瞳面测量的波像差检测技术不存在迭代优化的过程，因而在计算速度和稳定性上要优于基于空间像测量的波像差检测技术，但前者系统结构相对复杂，且在应用于大数值孔径和低光子通量的光学系统时越来越难克服系统误差；而基于空间像测量的波像差检测技术虽然在计算速度和稳定性上受限于所采用的迭代算法和迭代次数，但它的优势在于系统结构相对简单，对系统误差相对不敏感，这在应用于大数值孔径和低光子通量的光学系统时尤为体现。本发明涉及的利用刀口作为检测标记的波像差检测系统采用的就是基于空间像测量的波像差检测技术，它继承了该技术结构简单的优点，同时不失检测精度。

本发明涉及的基于空间像测量的波像差检测技术借鉴了刀口测试技术和扫描相干衍射成像(Ptychography)技术的思想。刀口测试技术(参见在先技术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测系统的焦面或像面，在焦面或像面之后的观测面会得到介于全亮与全暗之间的近乎均匀的阴影图，根据阴影图的明暗分布可判断待测系统的波像差。这种测量方法的优点是结构简单，操作方便，灵敏度高，便于现场检测，但定性的成分比较大。改进的刀口测试技术(参见在先技术2，Donald E.Vandenberg,William 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)可进行定量分析，但需要在观测面采集一系列的阴影图以确定每个像素的暗场阈值所对应的刀口位置，这不仅需要额外的设备和操作，增加了检测设备的复杂性和系统的测试时间，而且检测精度也受限于刀口的移动精度和阴影图的采集数量。Ptychography技术(参见在先技术3，J.M.Rodenburg and H.M.L.Faulkner,“A phase retrieval algorithm for shifting illumination”,Applied Physics Letters 85,4795,2004)是一种相位恢复技术，与之相应的相位恢复算法称为PIE(Ptychographic Iterative Engine)算法，它的原理是将照明光波照射到检测标记上，检测标记在垂直于光轴的平面内做步进扫描，每一步扫描均与上一步有部分重叠，观测面记录检测标记在每步扫描时形成的衍射图样，通过检测标记所在平面和观测面之间光场传播过程的反复迭代运算，得到照明光波或检测标记的相位信息。由于在分别恢复每步扫描时的结果也要同时满足其他扫描结果的约束，最后的恢复结果将是所有扫描结果的共同解，这也是PIE算法的恢复精度较之于传统相位恢复算法(如GS算法、输入输出法)高的原因。PIE算法最初应用于在已知照明光波的情况下恢复检测标记，而事实上通过已知检测标记恢复照明光波也是可行的(参见在先技术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)，故而该方法可以应用到投影物镜波像差检测领域中。Ptychography技术在应用于波像差检测领域中虽能实现高精度的测量，但存在以下不足：1)引入了图样复杂的检测标记和需要进行多次扫描操作，增加了检测设备的复杂性和系统的测试时间，2)检测标记的空间分布难以准确测量，3)多次扫描下的检测标记相对于照明光波的位置难以准确确定。