一种物镜波像差检测装置及方法与流程

本发明属于物镜光学检测，尤其涉及一种物镜波像差检测装置及方法。

背景技术：

1、随着半导体制造工艺节点持续向7nm及以下制程推进，光刻检测装备对成像质量的要求已达到前所未有的高度。作为检测光路核心部件的深紫外（duv）物镜，其数值孔径（na）已普遍提升至0.85甚至0.9以上，工作波长覆盖193nm至266nm波段。数值孔径的增大虽显著提升了系统的分辨率极限，但也急剧增加了物镜设计、装调与加工环节中波前像差的产生概率——特别是高阶像差与全视场像差分布的非对称性，已成为制约检测精度提升的关键瓶颈。

2、干涉法（interferometry）是检测物镜波像差的常见方法，其原理是将一束已知波前与经被测物镜调制后的测试波前进行干涉，通过分析干涉图样来反演处被测物镜引入的波前相差。干涉法的结果以zernike多项式（zernike polynomials）和塞德尔像差（seidelaberrations）等数学工具进行参数化描述。

3、基于干涉法检测物镜波像差的一个难点在于如何使测试波前精确返回待测物镜的入瞳位置，以及确保入射至待测物镜的波前与测试波前具有良好的同轴度和尺寸匹配性，使得测得的波像差准确有效。现有技术中解决该问题的方式是由操作人员依据经验和目测干涉条纹数量反复试错调整，存在耗时长、检测效率低下，且不同操作者之间的检测结果一致性差的缺点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种物镜波像差检测装置及方法，以解决前述技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种物镜波像差检测装置，包括：光源组件、分束器、第一反射镜、物镜平台及光接收组件；所述物镜平台包括第一基座、装载件、基准卡、第二反射镜和第二基座；所述装载件、所述基准卡、所述第二反射镜均可活动地设于所述第一基座；所述装载件用于安装待测物镜；所述基准卡上设有透光孔；所述第二反射镜为球面镜，所述球面镜的焦点与所述透光孔的中心重合；所述光接收组件包括波前传感器；所述第一基座可转动地设于所述第二基座，所述第一基座的转动轴线垂直于第一方向；

3、所述分束器对所述光源组件产生的入射分束，得到入射参考光和入射检测光；所述入射参考光入射至所述第一反射镜，并被所述第一反射镜反射，形成返回参考光，所述返回参考光经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；所述入射检测光沿所述第一方向穿过安装在所述装载件上的待测物镜，再至少部分地穿过所述透光孔，之后入射至所述第二反射镜，并被所述第二反射镜反射，得到第一返回检测光，所述第一返回检测光先至少部分地穿过所述透光孔，后沿所述第一方向穿过所述待测物镜，再在经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；所述返回参考光与所述第一返回检测光在所述波前传感器上形成第一干涉图样；

4、当所述第一干涉图样满足第一预设条件时，所述待测物镜的轴线与所述转动轴线垂直且交于所述待测物镜的入瞳中心；

5、所述第一预设条件包括：根据所述第一干涉图样所得的fringe标准泽尼克多项式中的z1、z2、z3、z4均为最小值。

6、可选地，所述光源组件、所述分束器、所述物镜平台沿水平方向排布，所述装载件、所述基准卡、所述第二反射镜从下往上地排布；所述物镜平台还包括第三反射镜，所述第三反射镜设于所述装载件与所述分束器之间，且在所述第一基座的下方；

7、自所述分束器出射的所述入射检测光沿水平方向入射至所述第三反射镜并被所述第三反射镜反射，被所述第三反射镜反射的所述入射检测光沿竖直向上的方向传输并穿过所述待测物镜；

8、所述第一返回检测光沿竖直向下的方向穿过所述待测物镜后入射至所述第三反射镜并被所述第三反射镜反射，被所述第三反射镜反射的所述第一返回检测光沿水平方向入射至所述分束器。

9、可选地，所述物镜平台还包括第一调节机构、第二调节机构和转接件；所述第一调节机构连接所述第一基座和所述装载件，所述第一调节机构被配置为能够驱使所述装载件相对于所述第一基座运动，以改变所述装载件相对于所述第一基座的位置；所述第二反射镜和所述基准卡均设于所述转接件上；所述第二调节机构连接所述第一基座与所述转接件，所述第二调节机构被配置为能够驱使所述转接件相对于所述第一基座运动，以改变所述转接件相对于所述第一基座的姿态，进而改变所述第二反射镜和所述基准卡相对于所述第一基座的姿态。

10、可选地，所述光源组件发出的光为紫外光；所述基准卡为荧光卡。

11、可选地，所述物镜波像差检测装置还包括角锥棱镜，所述角锥棱镜可移除地设置在所述分束器与所述物镜平台之间；

12、当所述角锥棱镜设置在所述分束器与所述物镜平台之间时，所述入射检测光入射至所述角锥棱镜并被所述角锥棱镜反射形成第二返回检测光，所述第二返回检测光在经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器。

13、可选地，所述装载件包括载台；

14、所述物镜波像差检测装置还包括第四反射镜，所述第四反射镜可移除地设置在所述载台上；

15、当所述第四反射镜设于所述载台上时，所述入射检测光入射至所述第三反射镜，并被所述第三反射镜反射形成第三返回检测光，所述第三返回检测光入射至所述第四反射镜并被所述第四反射镜反射，被所述第四反射镜反射的所述第三返回检测光在经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器。

16、可选地，所述装载件包括载台、夹紧环和连接件，所述载台为具有第一内孔的环形件，所述载台与所述第一基座可活动地连接；所述夹紧环为具有第二内孔的环形件；所述连接件用于使所述夹紧环与所述载台可分离地连接；

17、所述待测物镜包括物镜本体和法兰，所述法兰设于所述物镜本体的外周；当所述待测物镜安装于所述装载件上时，所述法兰位于所述载台与所述夹紧环之间，所述物镜本体的一部分穿设在所述第一内孔中、另一部分穿设在所述第二内孔中，所述连接件位于所述法兰的外周，并连接所述夹紧环与所述载台。

18、可选地，所述入射检测光和所述第一返回检测光沿第一方向穿过所述待测物镜；

19、所述物镜平台还包括驱动件；所述驱动件设于所述第二基座上，并与所述第一基座连接，所述驱动件被配置为能够驱使所述第一基座相对于所述第二基座绕所述转动轴线转动。可选地，所述装载件具有内孔；安装于所述装载件上的所述待测物镜部分地穿设在所述内孔中，并能够相对于所述装载件绕其自身的轴线旋转；所述待测物镜上设有第一标记，所述装载件上设有第二标记；

20、所述第二标记的数量为多个，多个所述第二标记沿所述内孔的周向间隔排布；所述第一标记的数量为一个；通过使所述待测物镜相对于所述装载件绕其自身的轴线旋转，能够使所述第一标记与任一个所述第二标记对齐；或者，

21、所述第一标记的数量为多个，多个所述第一标记沿所述待测物镜的周向间隔排布；所述第二标记的数量为一个；通过使所述待测物镜相对于所述装载件绕其自身的轴线旋转，能够使所述第二标记与任一个所述第一标记对齐。

22、可选地，所述物镜波像差检测装置还包括可变光圈，所述可变光圈设于所述分束器与所述装载件之间。

23、可选地，所述光源组件包括光源和扩束镜组，所述扩束镜组设于所述光源与所述分束器之间。

24、可选地，所述光接收组件还包括缩束镜组，所述缩束镜组设于所述波前传感器与所述分束器之间。

25、可选地，所述光接收组件还包括第五反射镜，所述第五反射镜设于所述波前传感器与所述分束器之间。

26、为实现上述目的，本发明还提供了一种物镜波像差检测方法，所述物镜波像差检测方法基于如前所述的物镜波像差检测装置执行，并包括：

27、将所述待测物镜安装至所述装载件，并使所述待测物镜的轴线沿所述第一方向延伸；

28、使所述光源组件产生所述入射光；所述入射光在所述分束器处分束以得到所述入射参考光和所述入射检测光；所述入射参考光入射至所述第一反射镜并被所述第一反射镜反射，得到所述返回参考光，所述返回参考光在经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；

29、使所述装载件相对于所述第一基座运动以调节所述装载件相对于所述第一基座的位置，和/或，使所述基准卡及所述第二反射镜相对于所述第一基座同步运动以调节所述基准卡、所述第二反射镜相对于所述第一基座的姿态；所述入射检测光先沿所述第一方向穿过所述待测物镜，再至少部分地穿过所述透光孔，而后入射至所述第二反射镜，并被所述第二反射镜反射，得到所述第一返回检测光，所述第一返回检测光在至少部分地穿过所述透光孔后沿所述第一方向穿过所述待测物镜，再在经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器，且与所述返回参考光在所述波前传感器上形成第一干涉图样；

30、判断所述第一返回检测光和所述入射检测光在所述透光孔处是否满足第二预设条件；若所述第一返回检测光和所述入射检测光在所述透光孔处不满足所述第二预设条件，则再次使所述装载件相对于所述第一基座运动和/或使所述基准卡及所述第二反射镜相对于所述第一基座同步运动，若所述第一返回检测光和所述入射检测光在所述透光孔处满足所述第二预设条件，则判断当前的所述第一干涉图样是否同时满足所述第一预设条件和第三预设条件，若当前的所述第一干涉图样不同时满足所述第一预设条件和第三预设条件，则使所述装载件沿第二方向和/或第三方向运动，并再次判断当前的所述第一干涉图样是否同时满足所述第一预设条件和第三预设条件，若当前的所述第一干涉图样同时满足所述第一预设条件和第三预设条件，则基于当前的所述第一干涉图样获取所述待测物镜的轴线处的波像差；

31、检测所述待测物镜的所述离轴点处的波像差，包括：使所述第一基座绕所述转动轴线转动，以使所述待测物镜的轴线相对于所述第一方向倾斜指定角度，进而使得所述待测物镜处于指定倾斜状态、所述入射检测光和所述第一返回检测光的光路经过所述待测物镜的离轴点；根据所述返回参考光和经过所述离轴点的所述第一返回检测光在所述波前传感器上形成的所述第一干涉图样获取所述待测物镜的离轴点处的波像差；所述离轴点偏离所述待测物镜的轴线；

32、所述第二方向、所述第三方向、安装于所述装载件上的所述待测物镜的轴线两两垂直。

33、可选地，所述第二预设条件包括：所述第一返回检测光全部穿过所述透光孔、所述入射检测光全部穿过所述透光孔；或者，

34、所述入射检测光部分地穿过所述透光孔并在所述基准卡上形成第一光斑，所述第一返回检测光部分地穿过所述透光孔并在所述基准卡上形成第二光斑，所述第二预设条件包括：所述第二光斑与所述第一光斑等大且同轴。

35、可选地，所述第三预设条件包括：当前的所述第一干涉图样中的干涉条纹的数量小于第一预设值。

36、可选地，在将所述待测物镜安装至所述装载件之前，所述物镜波像差检测方法还包括：

37、将角锥棱镜设于所述分束器与所述物镜平台之间；

38、使所述光源组件产生所述入射光；所述入射光在所述分束器处分束，得到所述入射参考光和所述入射检测光；所述入射参考光入射至所述第一反射镜并被所述第一反射镜反射而形成所述返回参考光；所述入射检测光入射至所述角锥棱镜并被所述角锥棱镜反射而形成第二返回检测光，所述第二返回检测光和所述返回参考光均经由所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；

39、判断所述波前传感器上是否形成第二干涉图样，若否，则移除所述角锥棱镜，若是，则判断所述第二干涉图样是否满足第四预设条件，若是，则移除所述角锥棱镜，若否，则调整所述第一反射镜的位姿。

40、可选地，所述第四预设条件包括所述第二干涉图样中的干涉条纹的数量小于第二设定值。

41、可选地，所述光源组件、所述分束器、所述物镜平台沿水平方向排布，所述装载件、所述基准卡、所述第二反射镜从下往上地排布；所述第一方向为竖直方向；所述物镜平台还包括第三反射镜，所述第三反射镜设于所述分束器与所述装载件之间，且位于所述装载件的下方； 所述装载件包括载台；

42、在移除所述角锥棱镜之后，以及，在将所述待测物镜安装至所述装载件之前，所述物镜波像差检测方法还包括：

43、将第四反射镜设于所述载台上；

44、使所述光源组件产生所述入射光；所述入射光在所述分束器处分束，得到所述入射参考光和所述入射检测光；所述入射参考光入射至所述第一反射镜并被所述第一反射镜反射而形成所述返回参考光，所述返回参考光经由所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；所述入射检测光入射至所述第三反射镜并被所述第三反射镜反射，被所述第三反射镜反射后的所述入射检测光入射至所述第四反射镜，并被所述第四反射镜反射而形成第三返回检测光，所述第三返回检测光入射至所述第三反射镜，并被所述第三反射镜反射，被所述第三反射镜反射的所述第三返回检测光经所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；

45、判断所述波前传感器上是否形成第三干涉图样，若否，则移除所述第四反射镜，若是，则判断所述第三干涉图样是否满足第五预设条件，若是，则移除所述第四反射镜，若否，则调整所述第三反射镜相对于所述分束器的姿态。

46、可选地，所述第五预设条件包括根据所述第三干涉图样获取的fringe标准泽尼克多项式中的z2、z3均为最小值。

47、可选地，所述物镜波像差检测方法还包括：

48、判断所述待测物镜的轴线处的波像差是否满足第六预设条件，若否，则判定所述待测物镜不合格，若是，则检测所述待测物镜的离轴点处的波像差。

49、可选地，所述第六预设条件包括：所述待测物镜的轴线处的波像差中的赛德尔倾斜项小于或等于第三设定值、赛德尔功率项小于或等于第四设定值、波前均方根小于或等于第五设定值、泽尼克离焦项小于第六设定值。

50、可选地，所述检测所述待测物镜的离轴点处的波像差的步骤包括：

51、使所述待测物镜绕其自身的轴线旋转，以使所述待测物镜的周向上的不同的所述离轴点分别位于所述入射检测光和所述第一返回检测光的光路，以检测所述待测物镜的周向上的不同的所述离轴点处的波像差。

52、可选地，所述指定倾斜状态的数量为m个，m为大于或等于1的整数，当m大于或等于2时，不同的所述指定倾斜状态下的所述指定角度不同；

53、所述待测物镜上设有一个第一标记；所述装载件具有内孔；安装于装载件上的所述待测物镜部分地穿设在所述内孔中，并能够相对于所述装载件绕其自身的轴线旋转；所述装载件上设有n个第二标记，n个所述第二标记沿所述内孔的周向间隔排布，n为大于或等于2的整数；

54、所述检测所述待测物镜的离轴点处的波像差的步骤包括：

55、步骤s8a、判断是否有所述第二标记与所述第一标记对齐；若是，则执行步骤s8c，若否，则先执行步骤s8b，再执行步骤s8c；

56、步骤s8b、使所述待测物镜绕其自身的轴线旋转至一个所述第二标记与所述第一标记对齐；

57、步骤s8c、使所述第一基座绕所述转动轴线转动以使所述待测物镜处于第i个所述指定倾斜状态；

58、步骤s8d、记录当前的所述第一干涉图样；

59、步骤s8e、使所述待测物镜绕其自身的轴线旋转至下一个所述第二标记与所述第一标记对齐；

60、步骤s8f、记录当前的所述第一干涉图样；

61、步骤s8g、判断在第i个所述指定倾斜状态下是否已经依次使所有所述第二标记分别与所述第一标记对齐过，若是，则执行步骤s8h，若否，则返回执行所述步骤s8e；

62、步骤s8h、判断i是否等于m，若否，则返回执行步骤s8c并更新i；

63、每次执行所述步骤s8c时，所述步骤s8c中的i等于所述步骤s8c的当前执行次数；每次执行所述步骤s8g和所述步骤s8h时，所述步骤s8g和所述步骤s8h中的i等于所述步骤s8c的已完成次数。

64、可选地，所述指定倾斜状态的数量为m个，m为大于或等于1的整数，当m大于或等于2时，不同的所述指定倾斜状态下的所述指定角度不同；

65、所述待测物镜上设有n个第一标记，n个所述第一标记沿所述待测物镜的周向间隔排布，n为大于或等于2的整数；所述装载件具有内孔，安装于装载件上的所述待测物镜部分地穿设在所述内孔中，并能够相对于所述装载件绕其自身的轴线旋转；所述装载件上设有一个第二标记；

66、所述检测所述待测物镜的离轴点处的波像差的步骤包括：

67、步骤s8a、判断是否有所述第一标记与所述第二标记对齐；若是，则执行步骤s8c，若否，则先执行步骤s8b，再执行步骤s8c；

68、步骤s8b、使所述待测物镜绕其自身的轴线旋转至一个所述第一标记与所述第二标记对齐；

69、步骤s8c、使所述第一基座绕所述转动轴线转动以使所述待测物镜处于第i个所述指定倾斜状态；

70、步骤s8d、记录当前的所述第一干涉图样；

71、步骤s8e、使所述待测物镜绕其自身的轴线旋转至下一个所述第一标记与所述第二标记对齐；

72、步骤s8f、记录当前的所述第一干涉图样；

73、步骤s8g、判断在第i个所述指定倾斜状态下是否已经依次使所有所述第一标记分别与所述第二标记对齐过，若是，则执行步骤s8h，若否，则返回执行所述步骤s8e；

74、步骤s8h、判断i是否等于m，若否，则返回执行步骤s8c并更新i；

75、每次执行所述步骤s8c时，所述步骤s8c中的i等于所述步骤s8c的当前执行次数；每次执行所述步骤s8g和所述步骤s8h时，所述步骤s8g和所述步骤s8h中的i等于所述步骤s8c的已完成次数。

76、可选地，所述物镜波像差检测方法还包括可变光圈，所述可变光圈设于所述分束器与所述装载件之间；所述入射检测光穿过所述可变光圈后再穿过所述待测物镜；

77、在获取所述待测物镜的轴线处的波像差之前，所述物镜波像差检测方法还包括：

78、判断所述待测物镜是否出现渐晕，若是，则调整所述可变光圈的光圈直径的大小。

79、与现有技术相比，本发明的物镜波像差检测装置及方法具有如下优点：前述的物镜波像差检测装置包括：光源组件、分束器、第一反射镜、物镜平台及光接收组件；所述物镜平台包括第一基座、装载件、基准卡、第二反射镜和第二基座；所述装载件、所述基准卡、所述第二反射镜均可活动地设于所述第一基座；所述装载件用于安装待测物镜；所述基准卡上设有透光孔；所述第二反射镜为球面镜，所述第二反射镜的焦点与所述透光孔的中心重合；所述光接收组件包括波前传感器；所述第一基座可转动地设于所述第二基座上，所述第一基座的转动轴线垂直于第一方向；所述光源组件出射的入射光进入所述分束器；所述分束器对所述入射光分束，得到入射参考光和入射检测光；所述入射参考光入射至所述第一反射镜，并被所述第一反射镜反射，形成返回参考光，所述返回参考光经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；所述入射检测光沿所述第一方向穿过安装在所述装载件上的待测物镜，再至少部分地穿过所述透光孔，之后入射至所述第二反射镜，并被所述第二反射镜反射，得到第一返回检测光，所述第一返回检测光先至少部分地穿过所述透光孔，后沿所述第一方向穿过所述待测物镜，再在经过所述分束器后入射至所述光接收组件并抵达所述波前传感器；所述返回参考光与所述第一返回检测光在所述波前传感器上形成第一干涉图样；当所述第一干涉图样满足第一预设条件时，所述待测物镜的轴线与所述转动轴线垂直且交于所述待测物镜的入瞳中心；所述第一预设条件包括：根据所述第一干涉图样所得的fringe标准泽尼克多项式中的z1、z2、z3、z4均为最小值。利用所述物镜波像差检测装置检测所述待测物镜的波像差时，通过两级调节的方式来实现所述待测物镜和所述第二反射镜的对准，以确保所述第一返回检测光能够返回所述待测物镜的入瞳位置、所述入射检测光与所述第一返回检测光具有良好的同轴度和尺寸匹配性，所述两级调节方式为：先对所述装载件相对于所述第一基座的位置进行调节和/或对所述基准卡、所述第二反射镜相对于所述第一基座的姿态进行调节，并在调节过程中基于基准卡可视化地观察所述入射检测光和所述第一返回参考光的状态，之后再对装载件相对于所述第一基座的位置进行调节，这样的调节方式可以极大地提高调节效率和不同操作者之间的调节结果一致性，进而提高波像差提高检测效率和不同操作者之间的检测结果一致性；通过使所述第一基座绕所述转动轴线旋转，使得所述物镜波像差检测装置不仅可以检测所述待测物镜的轴线处的波像差，还能够准确地检测所述待测物镜的所述离轴点出的波像差，提高检测覆盖率。