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超高精度菲索干涉仪不确定度分析

张健  
【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。


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