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超高精度菲索干涉仪不确定度分析

作　者: 张健
导　师: 刘伟奇
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学
关键词: 菲索干涉仪超高精度不确定度面形检测波像差自重变形回程误差绝对检验
分类号: TH744.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

为研制出193nm光刻投影物镜曝光系统,实现曝光系统光学元件的面形检测精度要求,拥有一台测量精度可以达到λ/50 (PV)、λ/300 (RMS)的超高精度相移式菲索干涉仪是必不可少的。论文以研制国内首台用于光刻投影物镜曝光系统光学元件面形检测的Φ100mm相移式菲索干涉仪为研究对象,以实现超高精度面形检测为目标,设计了一套干涉仪光学系统,使用有限元分析法、蒙特卡洛算法并通过相关实验验证对可能影响干涉仪精度的标准具镜组重力变形、干涉腔回程误差、参考面面形误差、干涉腔折射率变化以及一些仪器误差进行了深入的研究。论文首先深入分析干涉仪的基本原理以及光学系统中的各个功能模块,分别给出了分析结果并设计了一个菲索型水平卧式、口径102mm、系统分辨率为1024×1024的干涉仪光学系统,为实现超高精度的面形检测奠定了基础;其次,结合有限元理论,分别设计了胶结辅助支撑和压圈支撑两种装卡方式,并通过Zernike多项式完成光机转换,分析了每种支撑方式导致的自重变形对系统透射波前的影响,分析表明两种方式都可以满足要求,但是采用胶结辅助支撑产生的系统透射波前的RMS值更小;第三,建立测量球面镜面形精度时,由于通过TS镜的透射波前倾斜引起的回程误差的分析表达式,分析结果表明对于球面镜检测,回程误差随曲率半径的增大而减小,并提出了敏感度函数补偿法,用于补偿回程误差对面形测量的影响;第四,研究了小球标定参考面的原理,并对一块F#1.5、Φ100mm、标称精度值为λ/30(PV)的参考面面形进行标定,得到了相近的结果,掌握了小球标定参考面的关键环节;第五,通过对实验室内的温度、压强、相对湿度进行测量,研究了不同参数对折射率变化的影响,并通过蒙特卡洛算法,进一步研究了折射率变化对面形检测精度的影响,为实现高精度干涉测量提供了环境控制依据;最后,运用不确定度传递定律,将本文研究的几种误差进行合成,给出不确定度预算。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 课题的研究背景  12-13
  1.2 干涉仪的发展及研究意义  13-19
  1.3 论文的主要研究工作和内容安排  19-22
第2章菲索相移干涉仪及其不确定度来源  22-48
  2.1 菲索相移干涉仪  22-28
  2.2 菲索相移干涉仪的设计  28-44
  2.3 超高精度菲索干涉仪不确定度来源  44-47
  2.4 小结  47-48
第3章标准具镜组重力变形的影响  48-68
  3.1 有限元方法简介  48-49
  3.2 有限元分析软件 MSC.Patran/Nastran  49-51
  3.3 镜面面形的影响因素及评价  51-52
  3.4 标准具镜组设计  52-55
  3.5 算法介绍及计算流程  55-57
  3.6 有限元模型建立及分析  57-61
  3.7 光学性能分析  61-67
  3.8 小结  67-68
第4章干涉腔回程误差的影响  68-84
  4.1 回程误差及其影响因素  69-71
  4.2 回程误差的分析表达式  71-76
  4.3 干涉腔光学模型及Zemax 仿真  76-79
  4.4 回程误差对面形测量的影响  79-82
  4.5 小结  82-84
第5章参考面面形误差的影响  84-96
  5.1 干涉仪标定方法  84-90
  5.2 随机旋转小球法  90-93
  5.3 测量不确定度  93-95
  5.4 小节  95-96
第6章干涉腔折射率变化的影响  96-114
  6.1 折射率经验公式  96-99
  6.2 影响干涉腔折射率的因素  99-104
  6.3 经验公式的不确定度分析  104-105
  6.4 干涉腔的标准测量不确定度  105-112
  6.5 小结  112-114
第7章不确定度合成  114-120
  7.1 仪器不确定度  114-117
  7.2 气流扰动不确定度  117
  7.3 不确定度的合成  117-118
  7.4 小结  118-120
第8章结论  120-124
  8.1 论文的主要工作  120-121
  8.2 论文的主要创新点  121-122
  8.3 展望  122-124
参考文献  124-130
在学期间学术成果情况  130-132
指导教师及作者简介  132-133
致谢  133

超高精度菲索干涉仪不确定度分析

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