移相干涉技术在应用方面的优势

图4.4所示为2016年中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的用于测量投影光刻物镜系统波像差的光栅横向剪切干涉仪光路结构图。利用针孔滤波器将照明光源模块发出的光衍射成一个理想球面波。该理想球面波经过待测投影物镜会聚后携带其系统像差信息形成测量光。测量光通过光栅衍射，在像面上分解为不同衍射级次的待测波前。具有级次选择功能的空间滤波器位于待测投影物镜像平面上，将高级次的衍射光作为干扰光滤除。利用多普勒效应，沿垂直于光栅刻线方向移动光栅实现相移剪切干涉。然后，对相移干涉图序列进行剪切相位复原和相位解包裹。对于剪切干涉测量，至少需要在正交的两个方向上进行两次干涉测量，再分别计算出两个正交方向上剪切相位，最后采用波前重构算法将两个剪切相位结果重构为待测投影光刻镜头的系统波像差信息。针对数值孔径为0.125 的投影光刻物镜，其测量波像差小于20.32 nm，对该光栅横向剪切干涉仪进行重复精度实验，其重复精度的均方根值为0.130 3 nm。

图4.4所示的干涉系统对机械振动等外界环境干扰敏感，需要采取隔振、恒温等技术措施，而且要实现投影光刻物镜的高精度测量，还需要开展测量系统的系统误差的标定等相关研究。

图4.4　光栅横向剪切干涉仪的结构图

下面介绍一种采用移相干涉技术的微分干涉仪，采用共光路布局，在一般的环境条件下可使垂直分辨率达到0.1 nm。

如图4.5所示，由光源发出的光经扩束、准直后，经起偏器变成单一方向的线偏振光，经半反半透射向沃拉斯顿棱镜，棱镜将其分成两束具有微小夹角并且振动方向互相垂直的两支线偏振光，通过显微镜后，产生剪切量为Δx 的平行光入射到被测表面。从被测表面返回的两束正交偏振光再经原路返回，由沃拉斯顿棱镜重新共线，然后通过1/4 波片和检偏器后产生干涉，被CCD 接收。

图4.5　激光移相干涉技术仪局部光路图

设沃拉斯顿棱镜的剪切方向为x，则干涉场上的光强分布为(www.xing528.com)

式中，I1 和I2分别为直流背景光强和交流背景光强；θ 为检偏器方位与光轴的夹角；φ（x）为被测相位，它与被测表面轮廓有关。

从上式可以看出，微分干涉图像中的光强不仅与被测相位φ（x）有关，而且还与检偏器方位角θ 有关，因此，可以通过旋转检偏器对微分干涉图像进行调制，采用移相干涉技术直接测量被测相位的分布。与压电晶体移相干涉方法相比，这种旋转检偏器移相的方法不存在非线性、滞后和漂移等问题，具有很高的测量准确度。

被测表面的轮廓H（x）满足下面方程：

由于采用CCD 和计算机组成的数字图像采集系统，表面轮廓的坐标变量被量化了，可以用数值积分的方法计算表面轮廓。将积分区间分成n 等份，则积分步长为Δl=l/n，积分点xi=i×Δl，设起始点轮廓高度为H（x0）=0，则

近十几年来，数字波面干涉仪已成为现代光学加工与研究的主要测量设备。国外成熟的数字波面干涉仪较多，在市场上所占份额最大的是美国Zygo 公司的干涉仪，其分析软件功能齐全，测量精度得到国际的认可。从20世纪80年代开始，国内也开始研制数字波面干涉仪，已有成熟产品，包括球面和平面等形式，测量波长从可见光到红外。