高精度光学元件面形干涉检测技术进展

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6
自上而下
毛细血管
DNA大小 分子 原子大小
制造与检测密不可分
“If you can measure it, you can make it.”
Kenneth Goldberg, Center for X-Ray Optics, Lawrence Berkeley National Laboratory, CA, USA.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
旋转角度误 差 猫眼位置中 心点误差 共焦位置中 心点误差 参考面 Zernike项 被测面 Zernike项
三 位 置 与 五 位 置 法 被 测 面 残 差 PV对 比 9 8 7 0.25 6 5 4 3 0.1 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.05 0 0.2 0.15 0.35 0.3
三 位 置 与 五 位 置 法 被 测 面 残 差 rms对 比
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
100次仿真分析统计结果显示多数参考面和被测面面形残余误 差<0.2nm rms。
29
双球面法绝对测量实验验证
猫眼测量结果
WC (r, ) TR (r, ) WR (r, ) WR (r, 180) TR (r, 180)
ICF

现代光学工程向”一大一小” 两个方向发展。 “大”:大口径 大相对口径 拼接 离轴非球面 轻质量 高精度 “小”:亚纳米级高精度面形 低中高频粗糙度 大型地基望远镜、空间望远镜、惯性约束聚变装臵、深紫外 和极紫外投影曝光系统已经成为现代光学工程的典型代表。
~1nm rms

DUV光刻机
没有检测,就没有控制,更没有确定性加工
检测到多高加工到多高 光学制造精度受到相应检测精度的限制
7
高精度光学元件制造与检测相辅相成
“自上而下”
用不同的放大 倍率以覆盖整 个中频波段
Rms
1mm
表面误差
基础加工
0.1mm
10um 1um 0.1um 10nm
精度提升 最终成形
1nm 0.1nm
高 精 度 干 涉 仪
19
光学面形高精度检测技术发展趋势分析 从源头上进行原理创新 从单元技术到系统性技术集成 从干涉仪主机到高端干涉仪系统 从相对检测到绝对检测 从通用检测配臵和专用检测配臵 从几纳米到亚纳米甚至几十pm级重复性 从十纳米到纳米甚至亚纳米级精度
20
三、高精度面形干涉检测技术进展
21
重复精度、复位精度和精度基本概念示意图
被测球面 标准镜
被测球面
旋转轴
光轴 参考面 平移中心 X
平移旋转法原理示意图
Z
Y
17
国内外球面绝对检测技术研究现状(四)
2008年,R. Schreiner 等人提出了一种基于半屏的奇偶分解法,可以 标定出参考面面形误差。随后,澳大利亚Jan Burke等人提出了基于半 屏的双通道自标定方法,可以快速标定出参考面的偶误差。
11
国外面形干涉检测技术及仪器发展态势
20世纪70年代中后期 激光技术、电子技术、计算机技术 相移干涉技术 相位精度将PV 1/10波长提高一个量级
分 辨 率 重 复 性
20世纪90年代中后期 -----21世纪初
光学系统、电子系统 相干噪声抑制和成像系统优化改进 分辨率[亚毫米级] 仪器重复性[亚纳米级]
当前状态
工程应用 优化和精度提升
2.随机球法
•会聚镜头 参考面
工程应用 优化和精度提升
3.平移旋转法
通用性 好
•会聚镜头: 被测面/参考面 •发散镜头: 被测面/参考面 •平面
工程应用 优化和精度提升
4. 三平板法
•平面镜头 •被测平面
•重力变形[立式状态]
工程应用 优化和精度提升 27
3.1 双球面法
用不同的 扫描范围 以覆盖整 个高频段 非球面补偿检测
偏心、厚度、曲率半径、表面疵病、次表面破坏检测
制造与检测的集成模型及软件
8
核心关键技术:高精度面形检测技术
5-10nm
<1nm
<0.1nm rms
挑战极限
Taking Optical Precision to the Extreme,
Mark Bigelow& Noreen Harned,2004,ASML OPTICS
20世纪90年代中后期 -----至今
精 高性能干涉仪主机与隔震系统 温度控制系统和绝对测量系统进行集成 度 高重复性[亚纳米甚至几十pm] 高精度[亚纳米级]
12
高端干涉仪系统[亚纳米级精度]
策略一:产生高精度的参考波前
点衍射干涉仪:亚纳米精度 ]
美国Livermore
日本Nikon
13
策略二:绝对测量方法去除参考面误差影响
被测面
标准镜头
参考面
三位臵法:0\180度共焦\猫眼测量 五位臵法:0\90\180\270度共焦\猫眼测量
28
双球面法仿真分析
PV (W W )
三 位 置 与 五 位 置 法 参 考 面 残 差 PV对 比 6 0.35 0.3 0.25 4 0.2 3 0.15 2 0.1 1 0.05 0 5
EUV光刻机
4
仿真
检测技 术
制造技 术
系统集 成
高端光学系统研制需要高精度检测技术,而高精度检测 技术支撑光学系统精确仿真、确定性制造和系统集成。
5
•纳米制造 •原子级确定性制造 • “自上而下”加工的极端
0.1m 1cm
1mm
0.1mm 10um 1um 0.1um 10nm 1nm 0.1nm 1940 1960 1980 2000 2020
中国科学院光电技术研究所先进光学研制中心
高精度光学元件面形干涉检测技术进展
报告人:侯溪 光电技术研究所
先进光学研制中心
2011-11-13
2013-9-5
目 录
1、概述 2、国内外高精度面形检测技术现状和发展趋势 3、高精度面形干涉检测技术进展 4、结束语
2
一、概述
3
大型望远镜
空间望远镜
日本Nikon
德国Zeiss
美国Zygo
基本思路: 从多次相对测量中直接分离出被测元件面形 误差或者标定出参考面误差并予以去除。
14
国内外球面绝对检测技术研究现状(一)
双球面法:1973年,A. E. Jensen首先提出了可实现球面绝对检测的三 位臵双球面法; 1990年,Bruce E. Truax等报道了三位臵法的理论公 式推导;后来,美国Zygo公司L. A. Selberg将上述三位臵法扩展为五 位臵法,即共焦位臵0、90、180、270度和 “猫眼”位臵。 该方法原理较简单,但对调整误差较为敏感,旋转角度误差将会影响 绝对检测精度。
10mm短光腔短期重复性 相邻数据相减
17:15
19:00
21.00
23.00
1:00
3:00
5:00
7:00
9:00 9:30
长期重复性检测实验 适当光腔长度(200mm) 长期重复性
环境改造
24
(二)、提升再现性[<0.5nm rms],加工检测迭代必须解决
热平衡仿真
支撑结构变形仿真
25
(三)、提升绝对检测精度
三位臵法双球面法原理示意图
Zygo五位臵法绝对检测示意图
15
国内外球面绝对检测技术研究现状(二)
随机球标定法:P. E. Parks等人1998年提出,对一个标定球在大量随 机位臵进行相对检测,然后进行数据平均,标定球的误差随着检测次 数的增加趋于零,平均结果将主要反映参考面面形误差信息。
随后,Ulf Griesmann等报道了一种随机球标定法的实施装臵。美国亚 利桑那大学的Zhou Ping等对随机球标定法的随机误差、几何误差和 衍射误差进行了分析。
绝对测量技术
基本思路:从多次测量中直接分离出被测元 件面形误差或者标定出参考面误差并予 以去除。 1)发展多种绝对测量方法,同等精度的多 种方法交叉验证可有效提高检测精度的 可靠性。 2)用不同的测量程序进行交叉标定。
参考面误差小于被测面误差 参考面误差与被测面误差相当 参考面误差大于被测面误差
4.6
1.3
RMS值 (nm)
4.4
1.2
4.2
1.1
4
1
3.8
0.9
3.6
0.8
十组(10次/组)独立实验参考面结果
2.5 x 10
-3
0
十组(10次/组)独立实验被测面结果
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 组数
10组 数 据 泽 尼 克 系 数 平 均 值 (参 考 面 )
10组 数 据 泽 尼 克 系 数 平 均 值
18
国内外球面绝对检测技术研究现状(五)
在国内,长春光机所、光电技术研究所、南京理工大学、北京理工大 学、浙江大学和哈尔滨工业大学等单位在平面、球面和柱面绝对检测 方法和干涉仪误差标定方法上进行了不少努力和探索,取得了重要进 展,主要集中在原理性研究和实验验证方面。
然而绝对检测方法精度受到检测环境、干涉仪性 能、数据变换、数据配准误差、数据处理等因素 的影响,要实现纳米级甚至亚纳米级高精度检测 需要综合考虑上述因素。
30
双球面法绝对测量实验验证
5
参考面面形误差(厂家A 6” F0.8)
参 考 面 面 形 误 差 RMS值
1.5
被测面面形误差( F0.75 被测面 )
被 测 面 面 形 误 差 RMS值
4.8
1.4
rms (nm)
rms (nm)
RMS值 (nm)
0 1 2 3 4 5 组数 6 7 8 9 10 11
9
从本质上讲,纳米级甚至亚纳米级高精度面形检 测基于超高重复性的集光机电算为一体的干涉仪 ,通过减小参考波前误差,隔离、抑制、分离或 补偿校正系统和随机误差实现高精度测量。
•当前核心任务:
提升复位精度,实现制造和检测的有效闭环 提升绝对检测精度,实现设计与检测的有效闭环
10
二、国内外高精度面形检测技术 现状和发展趋势
(被 测 面 )
0.01
2
0.005
1.5
0
系数 ( 波长)
系数 ( 波长)
数 系
1


0 5 10 15 20 泽 尼 克 项 数 25 30 35 40
-0.005
0.5
-0.01
0
-0.5
-0.015
-1
-0.02
0
5
10
15
20 泽 尼 克 项 数
25
30
35
40
十组实验平均结果被测面Zernike系数 十组实验平均结果参考面Zernike系数 实验验证了以4nm rms的参考面检测1nm rms被测面的可行性。被测面绝对测量结果rms约 为1nm ,变化范围为±0.15nm,参考面绝对测量结果rms约为4.2nm 左右,变化范围为± 0.2nm。36项Zernike系数表征的参考面和被测面绝对测量结果具有亚纳米级的不确定度。 31
面形残差PV和rms对比
RMS(W W )
被测面RMS 参考面RMS CCD像素 仿真次数 1-2nm 5-6nm 400 100 0.5° 1 pixel 2 pixel 36 64
三 位 置 与 五 位 置 法 参 考 面 残 差 rms对 比
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
重 新 调 整
机 械 稳 定 性
热 稳 定 性
重复精度(亚纳米)
复位精度(亚纳米)
测量重复性
参考标准
(补偿器)
3-5倍 10倍最佳
标定方法
干涉仪的测量准确度 测量精度Accuracy [绝对测量<1nm rms] Accuracy[相对测量]
三平板法 双球面法 随机球法 平移旋转法 非球面标定
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(一)、提升长期重复性[0.1-0.2nm rms]
干 涉 仪
标准镜头
干 涉 仪
标准镜头
干 涉 仪
标准镜头
高 精 密 制 造
重复精度 复位精度
精度
高 精 度 制 造
较差
较好
误差“操控”技术 干涉仪光腔
空 温 度 振 气 变 动 扰 动 化 电 子 噪 声
干涉仪主机
成 像 非 线 性
标准 镜头
被测元件
光电系统
相 干 噪 声
数 字 噪 声
算 相 位 计 算
26
Байду номын сангаас
球面绝对测量和参考面标定方法—高精度非球面检测技术基础
名称
1.双球面法
特点
原理简 单, 可扩展 2N+1法 理论精 度高,易 操作
适用范围
•会聚镜头: 被测面 参考面
存在挑战
• 要求绕光轴旋转,很难 正确获得旋转后的共焦测 量结果 •猫眼测量非共光路 •平均数目优化 •自动控制平台 •不适合小相对口径标准 镜头标定 •大行程精密样品台 •数据处理较复杂
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国内外球面绝对检测技术研究现状(三)
1999年,日本Nikon公司的研究人员报道了基于平移旋转的球面绝对 检测技术原理与实验装臵。 2001年,德国Carl Zeiss公司在自制的斐索型干涉仪Direct 100上运用 该技术实现了球面的绝对检测,检测精度达到了0.15nm RMS和 0.07nm 的重复性。 2002年,Nikon公司则点衍射干涉仪上运用该绝对检测技术实现了 RMS 为0.3nm的高精度面形检测。
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