本发明专利技术公开了一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置，属于超精密光学测量领域。本发明专利技术装置的作用是实时检测光刻机系统硅片的焦点位置，完成硅片的高精度调焦。检焦装置利用硅片离焦引起的四象限探测器上光斑形状变化完成硅片的大范围粗调焦；利用硅片离焦引起的光栅泰伯自成像周期变化导致的莫尔条纹周期和位相改变，完成硅片的小范围高精度调焦。本发明专利技术与现有焦面跟踪装置相比，采用了共轴的检焦方式，极大的扩展了焦面跟踪的范围，同时保证了高精度调焦。同时保证了高精度调焦。同时保证了高精度调焦。
【技术实现步骤摘要】
一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置
[0001]本专利技术属于超精密光学测量领域，尤其涉及一种基于像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置。
技术介绍
[0002]随着对智能电网，智能城市和自动化智能制造的需求不断增长，大大促进了对半导体芯片的需求，加上不断降低每个晶圆成本和能耗的追求，构成了降低临界尺寸(CD)和增加电路复杂性的主要驱动力，因此对微纳加工及检测技术提出了新的要求。在光学加工或检测系统中，需要将物镜的焦面准确地定位在样品表面上，将自动对焦技术应用于精密显微系统中,能够很好地解决传统光学显微镜对焦操作复杂、存在人为误差的问题。近年来，研究者们提出了多种自动焦点检测及跟踪的方式，如像散法、偏心光束法、临界角法、刀口法、差分共焦法、莫尔条纹法等。
[0003]其中，像散法、偏心光路法以及差分共焦法对焦范围大，但是对焦精度相对较低，临界角法、刀口法、莫尔条纹法对焦精度高但是对焦范围较小，根据现有的技术手段，受限于各种因素，目前难以同时实现高精度跟焦和大范围对焦。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于克服难以同时实现大范围和高精度对焦的技术问题，并提供一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置。
[0005]本专利技术提供了一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置，包括共同构成光学系统的光源、扩束镜、第一分束镜、物镜、第二分束镜、第一检焦装置和第二检焦装置；
[0006]所述光源输出的激光能经扩束镜作用后进入第一分束镜，经第一分束镜反射形成的第一光束能经物镜聚焦于样品表面，被样品表面反射的激光能经物镜和第一分束镜后形成第二光束；所述第二光束进入第二分束镜能被分解为能量相同的第三光束和第四光束，第三光束能进入基于像散法的第一检焦装置，第四光束能进入基于莫尔条纹法的第二检焦装置。
[0007]作为优选，所述第一检焦装置包括像散透镜和四象限探测器，所述第三光束能经像散透镜后入射到四象限探测器的探测面上。
[0008]进一步的，所述四象限探测器弧矢面的像高r
s
以及子午面的像高r
t
满足：
[0009][0010][0011]其中，像散透镜弧矢面的像距为m
s
，像散透镜子午面的像距为m
t
，像散透镜与四象
限探测器探测面的距离为d，准直激光束半径为r0；
[0012]令则
[0013]当样品表面位于物镜的焦面处时满足r
s
＝r
t
，四象限探测器的探测面上接收到的是圆形光斑，并且FES等于零；当样品表面位于物镜后焦面位置时满足r
s
＞r
t
，四象限探测器的探测面上接收到的是横向的椭圆光斑，并且FES大于零；当样品表面位于物镜前焦面位置时满足r
s
＜r
t
，四象限探测器的探测面上接收到的是纵向的椭圆光斑，并且FES小于零；
[0014]通过FES值调节样品和物镜之间的距离，使样品表面位于物镜的焦面处，实现大范围粗调焦。
[0015]作为优选，所述第二检焦装置包括第一光栅、第二光栅和CCD探测器；所述第四光束能依次经第一光栅和第二光栅后形成莫尔条纹，随后入射到CCD探测器的探测面上。
[0016]进一步的，所述第二光栅位于第一光栅的泰伯距离处。
[0017]更进一步的，当样品位于物镜的焦面位置时，穿过物镜的反射光将被准直；当样品位于物镜的焦平面之外时，离焦距离Δz将导致穿过物镜的光线相对于光轴偏离α角度，夹角α与离焦距离Δz的关系如下：
[0018][0019]其中，准直激光束半径为r0，物镜焦距为f0；
[0020]当第四光束为准直平面波且穿过第一光栅时，第一光栅在泰伯距离处的自成像周期不变；当第四光束为发散球面波且入射第一光栅时，第一光栅在泰伯距离处的自成像周期被放大；当第四光束为会聚球面波且入射第一光栅时，第一光栅在泰伯距离处的自成像周期被缩小；第一光栅自成像周期P1'为：
[0021]P1’
＝z
T
tanα+P1[0022]其中，泰伯距离为z
T
，第一光栅的周期为P1；
[0023]通过CCD探测器完成莫尔条纹的相位和周期测量，即可完成样品离焦距离Δz的测量：
[0024][0025]通过测量出的离焦距离Δz值调节样品和物镜之间的距离，使样品清晰成像，实现小范围高精度调焦。
[0026]进一步的，所述第一光栅可以为线性光栅，第二光栅可以为差分光栅。
[0027]进一步的，所述第一光栅和第二光栅均可以为倾斜的线性光栅。
[0028]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0029]本专利技术利用四象限探测器进行调节范围可达
±
100μm的大范围粗调焦，再利用莫尔条纹进行细调焦，将检焦精度保持在纳米级精度。本专利技术与现有的自动对焦装置相比，采用了共轴的检焦方式，极大的扩展了焦面跟踪的范围，同时保证了高精度调焦。
[0030]应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
[0031]为了更加清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0032]图1是根据一示例性实施例示出的一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置的原理图。
[0033]图2是根据一示例性实施例示出的第二光束B2和第三光束B3所在的光路支路的简化图。
[0034]图3是根据一示例性实施例示出的四象限探测器的探测面上的光斑示意图。
[0035]图4是根据一示例性实施例示出的离焦距离Δz与倾斜角α之间的关系。
[0036]图5是根据一示例性实施例示出的光栅P1和光栅自成像P1'之间的关系。
[0037]图6是根据一示例性实施例示出的第一光栅和第二光栅。
[0038]图7是根据一示例性实施例示出的检焦方法中莫尔条纹的分布，其中(a)为硅片正焦时的莫尔条纹；(b)为硅片位于前焦面位置时的莫尔条纹；(c)为硅片位于后焦面位置时的莫尔条纹。
[0039]图8是根据一示例性实施例示出的第一光栅和第二光栅。
[0040]图9是根据一示例性实施例示出的检焦方法中莫尔条纹的分布，其中(a)为硅片正焦时的莫尔条纹；(b)为硅片位于前焦面位置时的莫尔条纹；(c)为硅片位于后焦面位置时的莫尔条纹。
[0041]图中附图标记为：光源1、扩束镜2、第一分束镜3、物镜4、样品5、第二分束镜6、像散透镜7、四象限探测器8、第一光栅9、第二光栅10、CCD探测器11。
具体实施方式
[0042]下面结合附图和具体实施本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置，其特征在于，包括共同构成光学系统的光源(1)、扩束镜(2)、第一分束镜(3)、物镜(4)、第二分束镜(6)、第一检焦装置和第二检焦装置；所述光源(1)输出的激光能经扩束镜(2)作用后进入第一分束镜(3)，经第一分束镜(3)反射形成的第一光束能经物镜(4)聚焦于样品(5)表面，被样品(5)表面反射的激光能经物镜(4)和第一分束镜(3)后形成第二光束；所述第二光束进入第二分束镜(6)能被分解为能量相同的第三光束和第四光束，第三光束能进入基于像散法的第一检焦装置，第四光束能进入基于莫尔条纹法的第二检焦装置。2.根据权利要求1所述的一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置，其特征在于，所述第一检焦装置包括像散透镜(7)和四象限探测器(8)，所述第三光束能经像散透镜(7)后入射到四象限探测器(8)的探测面上。3.根据权利要求2所述的一种结合像散法和莫尔条纹法的大范围高精度对焦装置，其特征在于，所述四象限探测器(8)弧矢面的像高r
s
以及子午面的像高r
t
满足：满足：其中，像散透镜(7)弧矢面的像距为m
s
，像散透镜(7)子午面的像距为m
t
，像散透镜(7)与四象限探测器(8)探测面的距离为d，准直激光束半径为r0；令则当样品(5)表面位于物镜(4)的焦面处时满足r
s
＝r
t
，四象限探测器(8)的探测面上接收到的是圆形光斑，并且FES等于零；当样品(5)表面位于物镜(4)后焦面位置时满足r
s
＞r
t
，四象限探测器(8)的探测面上接收到的是横向的椭圆光斑，并且FES大于零；当样品(5)表面位于物镜(4)前焦面位置时满足r
s
＜r
t
，四象限探测器(8)的探测面上接收到的是纵向的椭圆光斑，并且FES小于零；通过FES值调节样品(5)和物镜(4)...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨青，金伟正，王智，庞陈雷，林飞宏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。