專利名稱：測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置及其測量方法，特別涉及用 于光刻投影中光刻物鏡裝配過程中的定心和間距檢測。
背景技術：
近年來，在半導體光刻領域，投影光刻技術的不斷進步，線條向更精細方向推進，目前芯片關鍵尺寸已能達到45nm的光刻分辨能力。光刻系統(tǒng)中的光學 投影物鏡的成像質量是影響光刻分辨力的關鍵因素，光刻物鏡的裝調過程中的 定心以及不同光學鏡片之間的厚度會很大程度會影響物鏡的最終光學質量，這 就需要有精密的在線測量設備來指導物鏡的裝配。目前裝配過程中， 一般都使用定心偏折儀對光學鏡片和光學系統(tǒng)的偏心或 傾斜進行檢測，這類定心檢測設備主要使用調焦望遠鏡，產生和光學元件匹配 的會聚或發(fā)散的球面波，從透鏡透射或反射的點或十字叉絲像隨著旋轉軸的旋 轉而在CCD上所劃圓的直徑來判斷透鏡的光軸或某個表面光軸和旋轉軸的偏離 大小，這類儀器可以方便的測量單個光學元件或多個光學元件組成的光學系統(tǒng) 相對旋轉軸的偏心情況，但是由于受點光源或十字叉絲的尺寸影響，偏心測量 精度通常在幾角秒。為了提高測試精度，也有人采用干涉的方法對光學元件進 行定心測量的(臺灣專利1264523 )，它是利用光學元件表面的干涉條紋來精確 測量表面的傾斜，這種干涉定心裝置和像移動相比精度高，可以測量單個元件 有非球面時的偏心情況，但是使用相對負雜，只能測量單個光學元件的偏心， 在測量時還需要對光學元件進行180度旋轉，無法測量多個透鏡的光學系統(tǒng)的 偏心情況。裝配過程中除了定心校正外，還希望能精確的測量透鏡的厚度和光學系統(tǒng) 中不同透鏡的間距，目前一般使用機械的方法在裝配過程中對這些厚度或間距 進行測量。這種方法有時需要和光學表面進行接觸測量，在裝配好以后就無法進4亍測量。 發(fā)明內容本發(fā)明提供的一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置及其測量方法，提供一種 高檢測精度的干涉定心檢測系統(tǒng)，提高了透鏡的偏心檢測精度以滿足更高的偏 心要求，實現(xiàn)了對光學系統(tǒng)內部間距的最終測量，同時可以測量光學系統(tǒng)裝配 結束后的間距。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置，包含光源，所述的光源為短相干光源；聚焦鏡，位于光源下方；針孔，位于聚焦鏡的下方焦距處；準直透鏡，位于針孔下方；分光鏡，位于準直透鏡下方；一維移動臺，水平設置在分光鏡的一側；角反射鏡，設置在所述的一維移動臺上，隨所述的一維移動臺進行精確移動；CCD (電荷耦合器件)器件，水平設置在分光鏡的另一側； 可移動聚焦透^^竟，設置在所述分光鏡和CCD器件之間； 調焦望遠4fe,位于分光4t的下方；所述的調焦望遠鏡包含兩組鏡片，第一組鏡片為負焦距透鏡組，第二組鏡 片為正焦距透鏡組，通過移動兩組透鏡組之間的間距實現(xiàn)不同的會聚或發(fā)散波 前，實現(xiàn)不同曲率半徑的光學表面測量；精密旋轉臺，位于調焦望遠鏡下方，該精密旋轉臺上放置被測光學系統(tǒng)， 帶動被測光學系統(tǒng)啦文精密旋轉；短相干光源經過聚焦鏡會聚到針孔中，從針孔出來的光經過準直透鏡后變 為平行光，從準直透鏡出射的平行光經過分光鏡變成兩束光，反射的參考光和 透視的測量光，反射的參考光經過一個角反射鏡，反射的光再次經過分光鏡后 進入CCD ，從分光鏡透射的測量光經過一個調焦望遠鏡中的第一組鏡片和第二組鏡片的調焦，從調焦望遠鏡出射的測量光達到被測光學系統(tǒng)，被測光學系統(tǒng) 可以在精密旋轉臺上進行精密的旋轉，從被測光學系統(tǒng)的被測表面反射后再次經過可調焦望遠鏡和分光鏡后的測量光，與參考光發(fā)生干涉，干涉條紋被CCD 接收，對接收到的干涉條紋進行計算處理后，可以得到被測光學系統(tǒng)的透鏡內 部或透鏡之間的偏心、傾斜、透鏡的厚度以及不同透鏡之間的距離。由半導體發(fā)光二極管(LED)出射的寬譜光， 一路進入由角反射鏡構成參 考臂I，另一路經過調焦望遠鏡和被測光學系統(tǒng)，并返回構成測量臂II,參考臂 和測量臂共同構成一個Michelson (麥克遜)干涉儀，當參考臂和測量比具有一 定光程差時，只有當Michelson干涉儀兩個干涉臂之間引入的光程差之和小于 光源相干長度時，CCD上將發(fā)生干涉現(xiàn)象；當二者光程差之和為零時，干涉條 紋對比度出現(xiàn)極大值，此時稱為光程匹配條件。因此，如果已知參考光在 Michelson干涉儀中引入的光程差，那么就可以通過對CCD上接收的各個白光 干涉條紋峰值位置(對應于光程差)的精確計量，得到測量光在干涉儀兩臂之 間引入的光程差，從而轉換得到臂長差。當Michelson干涉儀中移動角反射臂的光程掃描鏡由遠及近運動時，使參 考臂和測量臂之間的光程差AX的數(shù)值發(fā)生變化，進而引起光源兩者之間的相位 變化，短相千光源干涉信號的識別通常采用中心條紋的識別方法，同其他光學 干涉原理一樣，干涉的強度I輸出的表達式為I =11 + 12 + 2 x sqrt(Il x 12) x |Y(X)| x cos(kx+(p);式中II、 12為兩干涉信號強度，k為波數(shù)，x為兩千涉信號光程差，q>為 初始相位，Y(x)為光源自相關函數(shù)，sqrt為平方才艮運算。通過移動找到探測器接收到的最佳條紋對比度位置，就能找到光程差AX為 零，中間位置為光程差零位，當光程差AX偏離零位時，干涉對比度會越來越小 直到消失，通過這種方法可以實現(xiàn)lum以內的光學間距檢測精度。在對較大的光學系統(tǒng)進行測量時，本發(fā)明提供的一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的 測量裝置還可包含分光片，設置在所述分光鏡和CCD器件之間；光電探測器，接收分光鏡分出的光；小孔，設置在光電探測器之前；當檢測較大的光學系統(tǒng)時，考慮到較多鏡片測量時會帶來較大的背景光， 可以在干涉儀中心位置使用 一個光電探測器對光軸中心的條紋進行探測，同時對一維移動平臺的PZT進行一定頻率的調制，用于改變參考臂的光程差，這樣 在光電探測器就能接收到一個不斷變化的光強，對采集的電流信號進行濾波， 濾掉相應的直流信*號，而對交流信號進行放大，這樣就能濾掉由于其它鏡片的 反射光對被測鏡片的干擾，光電探測器前設置小孔的目的是只讓光軸附近的光 能透過，其它部分擋掉，這是由于光學系統(tǒng)的反射表面經過反射以后在CCD上 可能不是標準的平面，這樣表面不同位置測得的距離可能會不一樣，加上小孔 后可以保證只有光軸附近的光被測量。在上述的裝置中，使用寬度短相干光源可以消除相干噪聲，在測量多個光 學表面時，每個表面都會返回一些光，如果這些光都和參考光進行干涉，那么 CCD上將接收到很大的相干噪聲。通過移動角反射鏡和調節(jié)可調焦望遠鏡，讓不同的表面進行和參考光相干， 從而確定不同表面之間的距離。為了可以進行相移測量， 一維精密移動平臺安 裝PZT驅動結構實現(xiàn)精密的相移。使用角反射鏡對光路進行反射，這樣當一維 移動平臺發(fā)生旋轉和傾斜時不會帶來測量的偏心和傾斜誤差。成像CCD8和分光透鏡之間加上可移動的聚焦透鏡，可以實現(xiàn)被測面的粗 對準，這樣可以方便的對所需要定心的光學表面進行預對準，另外粗對準的測 量范圍較大，當光學元件偏心太多時，可以通過旋轉精密轉臺觀察光點的變化 軌跡來計算偏心的大小。調焦望遠鏡可以實現(xiàn)不同曲率半徑的光學表面測量。當進行平行平面或球 心位置接近的光學元件表面測量時，不需要調節(jié)望遠鏡和精密轉臺，而是直接 移動參考光中的角反射鏡來進行測量，這樣調節(jié)望遠鏡和轉臺的誤差都可以消 除，實現(xiàn)更高的測量精度。被測光學系統(tǒng)被固定在一個精密旋轉臺上，可以消除調焦望遠鏡的光軸偏 折造成的影響，對心的基準為精密旋轉臺的旋轉軸。本發(fā)明還提供了一種利用上述測量裝置來測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量方法， 包含以下步驟步驟1 、在精密旋轉臺上固定被測光學系統(tǒng)；步驟2、打開光源，將可移動聚焦透鏡移入分光鏡和CCD中間；步驟3、調節(jié)調焦望遠鏡，將物鏡焦點和被測物鏡最上面一個表面的球心調 重合，此時將會看到CCD上有一個不斷變小的聚焦光斑，當光斑最小時就il明 焦點和表面的J求心重合；步驟4、移出可移動聚焦透鏡，并且根據(jù)光學設計值調節(jié)角反射鏡的移動距 離，直到CCD上出現(xiàn)干涉條紋；步驟5、移動精密旋轉臺，同時記錄CCD上的條紋變化，測量精密旋轉軸 和反射表面的傾斜或偏心；步驟6、調節(jié)被測光學系統(tǒng)的位置，讓其被測物鏡上表面的光軸位置與精密 旋轉臺的旋轉軸重合；步驟7、前后移動一維移動臺，同時記錄一維移動臺的位置和CCD上的條 紋信息，CCD上的條紋從消失到出現(xiàn)再到消失；步驟8、通過記錄的一維移動臺的位置和CCD上的條紋信息，計算光學鏡 片軸中心位置條紋的對比度最強位置，記錄此時的一維移動臺位置作為該被測 物鏡的反射面的位置；步驟9、同理測量其他被測物鏡反射面的位置，由于不同表面的光軸都不相 同，所以最終將所有表面最接近的光軸調到和旋轉軸重合，通過記錄不同反射 表面對應的角反射鏡的位置，就能測量得到不同透鏡之間的間距；步驟10、將角反射鏡測得的間距除以相應光學材料的折射率，得到透鏡的 厚度。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和積極效果1、 利用干涉的方法可以提高偏心測量精度；2、 可以對單個鏡片或光學系統(tǒng)進行逐個表面的偏心測試；3、 可以用于測量單個透鏡或光學系統(tǒng)裝配過程中或裝配結束的光學間距；4、 當進行平行平面或球心位置接近的光學元件測量時，不需要調節(jié)望遠鏡， 而是直接移動參考光中的角反射鏡來進行測量，這樣可以消除由于精密旋轉臺 的偏心或傾斜帶來的誤差。
圖1是本發(fā)明提供的一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明提供的一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置使用光電探測器的 接收光路。
具體實施方式
以下根據(jù)圖1和圖2具體說明本發(fā)明的較佳實施方式 如圖1所示，本發(fā)明提供了一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置，包含 光源1，所述的光源1為短相干光源，通常采用短相干長度發(fā)光二極管 (LED),它具有好的空間相干性以及差的時間相干形，相干長度為20um左右； 聚焦鏡2，位于光源1下方； 針孔3，位于聚焦鏡2的下方焦距處；準直透鏡4，位于針孔3下方，準直透鏡具有很好的消除球差； 分光鏡5，位于準直透鏡4下方；一維移動臺(在圖中未顯示)，水平設置在分光鏡5的一側，采用機械粗位 移加PZT (壓電陶瓷)^r位移的方式共同構成，這樣既可以實現(xiàn)較大范圍內的 移動，又能在較小范圍內進行精確移動；角反射鏡6，設置在所述的一維移動臺上，隨所述的一維移動臺進行精確移動；CCD (電荷耦合器件)器件8,水平設置在分光鏡5的另一側； 可移動聚焦透鏡7，設置在所述分光鏡5和CCD器件8之間，實現(xiàn)被測面 的粗對準；調焦望遠鏡9，位于分光鏡5的下方，所述的調焦望遠鏡9包含兩組鏡片， 第一組鏡片9a為負焦距透鏡組，第二組鏡片9b為正焦距透鏡組，通過移動兩 組透鏡組之間的間距實現(xiàn)不同的會聚或發(fā)散波前，由于調焦望遠鏡只是移動透 鏡組之間的間距，并不影響光程差，可以精確測量被測光學系統(tǒng)IO的間距，實 現(xiàn)不同曲率半徑的光學表面測量；精密旋轉臺14,位于調焦望遠鏡9下方，該精密旋轉臺上放置被測光學系 統(tǒng)IO,帶動被測光學系統(tǒng)IO做精密旋轉；短相干光源1經過聚焦鏡2會聚到針孔3中，從針孔3出來的光經過準直透鏡4后變?yōu)槠叫泄?，從準直透鏡4出射的平行光經過分光鏡5變成兩束光， 反射的參考光和透視的測量光，反射的參考光經過一個角反射鏡6，反射的光再 次經過分光鏡5后進入CCD 8，從分光鏡5透射的測量光經過一個調焦望遠鏡9 中的第一組鏡片9a和第二組鏡片9b的調焦，從調焦望遠鏡9出射的測量光達 到被測光學系統(tǒng)10，被測光學系統(tǒng)IO可以在精密旋轉臺14上進行精密的旋轉， 從被測光學系統(tǒng)10的被測表面反射后再次經過可調焦望遠鏡9和分光鏡5后的 測量光，與參考光發(fā)生干涉，干涉條紋被CCD8接收，對接收到的干涉條紋進 行計算處理后，可以得到3皮測光學系統(tǒng)10的透鏡內部或透鏡之間的偏心、傾斜、 透鏡的厚度以及不同透鏡之間的距離。如圖2所示，在對較大的光學系統(tǒng)進行測量時，本發(fā)明提供的一種測量光 學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置還可包含分光片11,設置在所述分光鏡5和CCD器件8之間；光電探測器13，接收分光鏡5分出的光；小孔12,設置在光電探測器13之前；本發(fā)明還提供了 一種利用上述測量裝置來測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量方法， 包含以下步驟步驟l、在精密旋轉臺14上固定被測光學系統(tǒng)10;步驟2、打開光源1,將可移動聚焦透鏡7移入分光鏡5和CCD8中間；步驟3、調節(jié)調焦望遠鏡9，將物鏡焦點和被測物鏡最上面一個表面的球心 調重合，此時將會看到CCD8上有一個不斷變小的聚焦光斑，當光斑最小時就 說明焦點和表面的球心重合；步驟4、移出可移動聚焦透鏡7，并且根據(jù)光學設計值調節(jié)角反射鏡6的移 動距離，直到CCD8上出現(xiàn)干涉條紋；步驟5、移動精密旋轉臺14,同時記錄CCD8上的條紋變化，測量精密旋 轉軸和反射表面的傾斜或偏心；步驟6、調節(jié)被測光學系統(tǒng)10的位置，讓其被測物鏡上表面的光軸位置與 精密旋轉臺14的旋轉軸重合；步驟7、前后移動一維移動臺，同時記錄一維移動臺的位置和CCD8上的條 紋信息，CCD8上的條紋從消失到出現(xiàn)再到消失；步驟8、通過記錄的一維移動臺的位置和CCD8上的條纟丈信息，計算光學鏡 片軸中心位置條紋的對比度最強位置，記錄此時的一維移動臺位置作為該被測 物鏡的反射面的位置；步驟9、同理測量其他被測物鏡反射面的位置，由于不同表面的光軸都不相 同，所以最終將所有表面最接近的光軸調到和旋轉軸重合，通過記錄不同反射 表面對應的角反射鏡6的位置，就能測量得到不同透鏡之間的間距；步驟10、將角反射鏡測得的間距除以相應光學材料的折射率，得到透鏡的 厚度。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點和積極效果1、 利用干涉的方法可以提高偏心測量精度；2、 可以對單個鏡片或光學系統(tǒng)進行逐個表面的偏心測試；3、 可以用于測量單個透鏡或光學系統(tǒng)裝配過程中或裝配結束的光學間距；4、 當進行平行平面或球心位置接近的光學元件測量時，不需要調節(jié)望遠鏡， 而是直接移動參考光中的角反射鏡來進行測量，這樣可以消除由于精密旋轉臺 的偏心或傾斜帶來的誤差。
權利要求
1.一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置，其特征在于，包含光源(1)，為短相干光源；聚焦鏡(2)，位于光源(1)下方；針孔(3)，位于聚焦鏡(2)的下方焦距處；準直透鏡(4)，位于針孔(3)下方；分光鏡(5)，位于準直透鏡(4)下方；一維移動臺，水平設置在分光鏡(5)的一側；角反射鏡(6)，設置在所述的一維移動臺上，隨所述的一維移動臺進行精確移動；CCD電荷耦合器件(8)，水平設置在分光鏡(5)的另一側；可移動聚焦透鏡(7)，設置在所述分光鏡(5)和CCD器件(8)之間；調焦望遠鏡(9)，位于分光鏡(5)的下方；精密旋轉臺(14)，位于調焦望遠鏡(9)下方，該精密旋轉臺上放置被測光學系統(tǒng)(10)，帶動被測光學系統(tǒng)(10)做精密旋轉。
2. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述的光源(1)采用短相干 長度發(fā)光二極管。
3. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述的準直透鏡(4)具有很 好的消除球差。
4. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述的一維移動臺采用機械粗 位移加壓電陶f:精位移的方式共同構成，既可以實現(xiàn)較大范圍內的移動，又 能在較小范圍內進行精確移動。
5. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述的調焦望遠鏡(9)包含 兩組鏡片，第一組鏡片(9a)為負焦距透鏡組，第二組鏡片(9b)為正焦距 透鏡組。
6. 如權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，所述的測量裝置還包含分光片(11),設置在所述分光鏡(5 )和CCD器件(8 )之間； 光電探測器(13),接收分光鏡(5)分出的光；小孔(12),設置在光電探測器(13)之前。
7. —種利用上述測量裝置來測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量方法，包含以下步驟步驟l、在精密旋轉臺(14)上固定被測光學系統(tǒng)(10); 步驟2、打開光源(1 )，將可移動聚焦透鏡(7 )移入分光鏡(5 )和CCD (8)中間；步驟3、調節(jié)調焦望遠鏡(9)，將物鏡焦點和被測物鏡最上面一個表面 的球心調重合，此時將會看到CCD (8)上有一個不斷變小的聚焦光斑，當 光斑最小時就說明焦點和表面的球心重合；步驟4、移出可移動聚焦透鏡(7),并且才艮據(jù)光學設計值調節(jié)角反射鏡 (6)的移動距離，直到CCD (8)上出現(xiàn)干涉條紋；步驟5、移動精密旋轉臺(14)，同時記錄CCD (8)上的條紋變化，測 量精密旋轉軸和反射表面的傾斜或偏心；步驟6、調節(jié)被測光學系統(tǒng)(10)的位置，讓其被測物鏡上表面的光軸 位置與精密旋轉臺(14)的旋轉軸重合；步驟7、前后移動一維移動臺，同時記錄一維移動臺的位置和CCD (8) 上的條紋信息，CCD (8)上的條紋從消失，到出現(xiàn)再到消失；步驟8、通過記錄的一維移動臺的位置和CCD (8)上的條欲信息，計 算光學鏡片軸中心位置條紋的對比度最強位置，記錄此時的一維移動臺位置 作為該被測物鏡的反射面的位置；步驟9、同理測量其他被測物鏡反射面的位置，由于不同表面的光軸都 不相同，所以最終將所有表面最接近的光軸調到和旋轉軸重合，通過記錄不 同反射表面對應的角反射鏡(6)的位置，就能測量得到不同透鏡之間的間 距；步驟IO、將角反射鏡測得的間距除以相應光學材料的折射率，得到透鏡 的厚度。
8. 如權利要求7所述的測量方法，其特征在于，短相千光源干涉信號的識別采 用中心條紋的識別方法，千涉的強度I輸出的表達式為I = II + 12 + 2 x sqrt(Il x 12) x |Y(X)| x cos(kx+cp);式中II、 12為兩干涉信號強度，k為波數(shù)，x為兩干涉信號光程差，cp為初始相位，Y(x)為光源自相關函數(shù)，sqrt為平方才Mt算；通過移動找到探測器接收到的最佳條紋對比度位置，就能找到光程差AX 為零，中間位置為光程差零位，當光程差AX偏離零位時，干涉對比度會越 來越小直到消失，通過這種方法可以實現(xiàn)lum以內的光學間距檢測精度。
全文摘要
一種測量光學系統(tǒng)參數(shù)的測量裝置，包括短相干光源模塊，聚焦透鏡，準直透鏡，濾波針孔，分光鏡，角反射鏡，一維精密移動平臺，可調焦望遠鏡，精密旋轉工作臺，聚焦透鏡和成像CCD。一種測量方法，通過光學干涉的方法精確測量被測光學系統(tǒng)的透鏡內部或透鏡之間的偏心、傾斜、透鏡的厚度以及不同透鏡之間的距離。本發(fā)明提高了透鏡的偏心檢測精度以滿足更高的偏心要求，實現(xiàn)了對光學系統(tǒng)內部間距的最終測量，同時可以測量光學系統(tǒng)裝配結束后的間距。
文檔編號G03F7/20GK101226344SQ200810033379
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權日2008年1月31日
發(fā)明者劉國淦, 蔡燕民 申請人:上海微電子裝備有限公司