CN102686972A - 测量光学表面形状的方法以及干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

提供一种测量测试物体（12）的光学表面（14）的形状的方法。该方法包括以下步骤：提供产生测量波（18）的干涉测量装置（16），在不同测量位置处相对于彼此连贯地布置该干涉测量装置（16）和测试物体（12），从而由该测量波（18）照明该光学表面（14）的不同区域（20），在该不同测量位置，测量该测量装置（16）关于该测试物体（12）的位置坐标，通过在每个测量位置处使用测量装置（16）干涉地测量该测量波（18）在与该光学表面（14）的各个区域（20）相互作用之后的波前而获得表面区域测量，通过基于该干涉测量装置（16）在每个测量位置处所测量的位置坐标计算地组合子表面测量而确定该光学表面（14）的实际形状。

Description

测量光学表面形状的方法以及干涉测量装置

技术领域

本发明涉及制造光学元件的技术领域，以及使用例如干涉仪等测量设备对光学元件的测试。具体的，本发明涉及测量测试物体的光学表面的形状的方法、配置为测量测试物体的光学表面的形状的干涉测量装置、检验（qualify）具有波整形表面的波整形元件的方法、以及使用以上方法或者以上干涉测量装置制造的光学元件。

背景技术

光学元件可为例如光学系统中使用的光学透镜或者光学反射镜，该光学系统例如用于天文学中的望远镜或者用于微光刻方法中将结构（例如布置在掩模（mask）或者掩模母版（reticle）上的结构）成像到辐射敏感基底（例如晶片上的光刻胶）上的投射光学系统。这种光学系统的性能很大地依赖于精度，该精度是光学系统可被处理或者制造为具有光学系统的设计者所确定的目标形状的精度。在这种制造中，需要将要处理的光学表面的形状和它的目标形状相比较，并且确定经处理的表面和目标表面之间的差别。可接着在已加工表面和目标表面之间的差异超过例如预定阈值的部分进一步处理光学表面。

在传统的方法中，光学测试表面（可为非球面形状）布置在干涉仪的入射测量光的光束路径中。干涉仪包括波整形元件（也称作补偿系统），该波整形元件整形测量光的光束，使得测量光在光学表面的每个位置处基本垂直入射到光学表面上。因此，测量光的波前具有与光学表面的表面形状基本上相同的形状，其中测量光垂直入射到该光学表面上。补偿系统也被称为零透镜（null-lens）、零透镜系统、K系统以及零像差校正器（null-corrector）。涉及这种补偿系统的背景信息例如可以从Daniel Malacara的教科书“Optical ShopTesting”（第2版，John Wiley&Sons，Inc.1992）的第12章获得。

对于测试复杂非球面，通常使用计算机产生的全息图（CGH）作为补偿系统。为了获得光学测试表面的形状的高精度测量，必须精确地知道测量干涉仪的腔中的元件的所有制造误差。可替代的，校准非球面可用于校准这样的误差。然而，这样的校准非球面经常并不可得。有时，为了校准干涉仪，之后跟随了反射镜的以透射操作的CGH被用作校准目标。但是，校准CGH的精度不优于补偿系统的精度。还需要将校准CGH与反射镜对准，这是另一个误差源。

例如通过电子束写入处理，可导致由CGH形式的补偿系统产生的波前的空间中频（mid-spatial frequency）偏差。单个写入场相对于彼此位移，从而CGH结构与它的目标位置在横向上（laterally）按段（from section to section）偏离。其它原因可以是CGH的局部制造误差，例如凸出结构部分、修改的肩角、杂质粒子或者其它缺陷。

发明内容

本发明的一个目的是提供解决以上问题并且尤其是允许光学测试表面的形状的更精确的测量的测量方法和测量装置，该光学测试表面尤其是配置用于使用EUV辐射（具有小于100nm波长的极紫外辐射，尤其是13.5nm的极紫外辐射）的投射光刻系统中的光学元件的光学测试表面。

根据本发明的第一方面，提供一种测量测试物体的光学表面的形状的方法。该方法包括：提供产生测量波的干涉测量装置，并且在不同测量位置处相对于彼此连贯地布置所述干涉测量装置和所述测试物体，使得所述测量波照明所述光学表面的不同区域，在所述不同测量位置，测量所述测量装置关于所述测试物体的位置坐标。此外，通过在每个所述测量位置处使用所述测量装置干涉地测量所述测量波在与所述光学表面的各个区域相互作用之后的波前，从而获得表面区域测量。根据本发明的方法还包括以下步骤：通过基于所述干涉测量装置在每个所述测量位置处的所测量的位置坐标，计算地组合子表面测量，而确定所述光学表面的实际形状。根据实施例，根据测量波与各个区域相互作用之后的波前，确定光学表面的各个区域的形状，其中所确定的不同区域的形状构成子表面测量。

换言之，根据本发明的第一方面，利用二维测量干涉测量装置连贯地测量光学表面的不同二维区域，从而测量测试物体的光学表面的形状，该测量也可称为子孔径测量。不同区域可以与它们的相邻区域重叠，但是这不是必须的。

对于每个子孔径测量，在不同的测量位置处相对于彼此布置测量装置和测试物体。这可通过例如在子孔径测量之间在关于测量波的传播方向的横向上位移测试物体和/或测量装置来实现。

对于每个测量位置，测量测量装置关于测试物体的位置坐标。位置坐标是三位空间坐标，例如笛卡尔坐标。在该上下文中，位置坐标不考虑倾转角度。根据一个实施例，测量位置坐标的测量精度好于0.1μm。

基于干涉测量装置在多个测量位置处的所测量的位置坐标计算地组合子孔径测量中确定的形状。根据本发明的计算组合可称为缝合（stitching），但是不同于传统的缝合。

在传统的缝合中，仅通过将重叠区域中的结果彼此配合来组合干涉子表面结果。在传统的缝合中，对单个子孔径区域测量的形状的系统测量误差可按子孔径累加。在光学表面分成例如1000个区域并且单个区域的形状各自以1nm的精度测量的情况中，在传统缝合的情况中，整个光学表面的测量误差可累加到1μm。根据本发明，当计算地组合子孔径测量时，通过考虑干涉测量装置关于测试物体的测量的位置坐标，从而防止了这种误差积累。对于子孔径测量的所测量的形状的组合，测量的位置坐标用作位置参考栅格。这样可避免光学表面的测量形状中的大范围测量误差。

根据本发明的计算组合允许光学表面被分成较大数量的要被独立测量的区域。这样，即使要测量的光学表面的目标形状不同于测量波的波前，也可对所有的子孔径测量，使用具有相同波前的公共测量波。例如，在光学表面的目标形状是非球面或者自由形状表面的情况中，如下文所解释的，测量波可配置有平面波前或者球面波前。在球面波前的情况中，波前可具有关于光学测试表面的目标形状的最佳拟合球面的形状。

光学测试表面的区域可非常小。可选择区域的尺寸，使得对于使用干涉测量装置的测量，测量区域中的测试表面的实际形状相对于测量波的波前的偏差被保持为足够小。特别地，可将偏差保持在测量波的光的波长的一倍以下。这样，对于预整形测量波的波前，不需要复杂的波整形元件，例如计算机产生的全息图（CGH）的形式的波整形元件。

根据本发明的方法允许非球面或者自由形状表面的形状的测量具有大大提高的精度，特别是具有在EUV光刻中使用所需要的精度。可以高精度地测量光学表面的实际形状相对于目标形状的、具有大于0.01mm的空间波长的变化（variation）。

在本申请的上下文中，非球面是指旋转对称的非球面形状，同时，术语“自由形状表面”是指非旋转对称的非球面形状。

与仅测量到空间中的单个点的距离的距离测量激光干涉仪相比，该干涉测量装置是面（areal）干涉仪，其在每个测量位置中测量光学表面的二维区域。

在根据本发明的实施例中，在子表面测量的计算组合中还考虑干涉测量装置关于测试物体的光学表面的倾转角。优选地，在每个测量位置处调节测量装置的倾转，使得在各个要测量的区域中将测量波的波前与测试表面的目标形状对准。根据一个变形，调节该倾转，使得测量波的光线关于目标形状平均上垂直或者接近垂直地入射到测试表面上。

在根据本发明的一些实施例中，在不同测量位置处照明的光学表面的区域彼此重叠，并且通过将子表面测量的重叠部分彼此配合，以及根据测量装置的所测量的位置坐标校正配合结果，从而计算地组合子表面测量。根据一个变形，干涉测量装置的所测量的位置坐标被用于确定所配合的结果中子表面测量的位置偏移（offset），并且在所配合的结果中校正所确定的位置偏移。

在根据本发明的某些实施例中，测量了光学表面的大于100，尤其是大于500，例如大约1000个不同区域。

在根据本发明的一些实施例中，通过将至少三个距离测量激光干涉仪指引到至少一个附接在测量装置上的回射器，在所述测量位置，测量了干涉测量装置关于测试物体的位置坐标，其中在位置测量期间该至少三个激光干涉仪彼此处于固定的位置关系中。激光干涉仪优选布置在相对于测试物体已知的位置中，例如固定到测试物体的支撑装置。在根据本发明的一些实施例中，回射器是球面的形状。

本领域技术人员根据全球定位系统（GPS）获知该坐标测量的原理。通过激光干涉仪的光束源确定参考点并且回射器形式的测量点形成四面体。此原理在测量干涉测量装置在不同测量位置处的位置坐标中的应用允许位置坐标的确定具有至少0.1μm的精度。

在干涉测量装置的定位中通常不能达到这样的精度。定位装置（如坐标测量机）使用几个顺次（serially）布置的距离测量干涉仪监视定位，一个干涉仪用于维度x，y和z中的一个。这里，每个距离测量干涉仪测量定位坐标的一个维度。

回射器相对于干涉测量装置的位置是已知的，特别地，它的位置相对于测量装置是固定的。距离测量激光干涉仪是配置为测量激光干涉仪和目标物体上的单个点之间的距离的激光干涉仪。为了这个目的，距离激光干涉仪发射最小发散度的激光光束，使得目标物体被点状照明。每个激光干涉仪通过确定反射光束和输出光束之间的相移（其产生单个相移值）而测量到回射器的距离。与波前测量干涉仪相比，在距离测量激光干涉仪中，不执行与传播方向垂直的相位分布的分析。

在根据本发明的某些实施例中，每个距离测量激光干涉仪被安装为使得其可关于两个倾转轴倾转。倾转轴优选布置为横向于（垂直于）各个发射的激光光束的方向。根据实施例，距离激光干涉仪是配置为执行自动光束追踪的激光追踪器的部分。因此，当移动回射器时，激光光束自动跟随回射器。

在根据本发明的一些实施例中，至少三个回射器附接到干涉测量装置，并且每个测量激光干涉仪指向不同的回射器。这三个回射器的位置关系应该已知。换言之，每个回射器与各自的距离测量激光干涉仪关联。这允许在测量装置处布置每个回射器，使得回射器最佳地面向它们关联的激光干涉仪。这样，测量装置可大角度倾转，并且测量激光干涉仪仍能够使它们的激光光束入射到各自的回射器。

在根据本发明的某些实施例中，根据所述激光干涉仪基于对所述激光干涉仪之间的距离的获知而测量的距离，确定所述干涉测量装置的位置坐标。由位于所述三个距离激光测量干涉仪所构成的平面之外的位置处的第四距离测量激光干涉仪测量所述激光干涉仪之间的距离，由所述四个激光干涉仪中的每个测量到所述至少一个回射器的距离，并且根据到所述至少一个回射器的距离数学地确定所述激光干涉仪之间的距离。可以在校准过程中测量激光干涉仪之间的距离。优选地，在校准期间测量干涉测量装置的移动范围中的多个位置。由于所测量的相对位置的超确定（over-determination），可以在偏移之外还确定由激光干涉仪限定的参考点相对于彼此的位置。可根据DE3205 362 C2执行该校准过程，通过引用将该文献合并与此。

在根据本发明的一些实施例中，通过坐标测量机，相对于光学测试物体定位干涉测量装置。坐标测量机（CMM）是一些产业中的制造和装配过程中使用的装置并且对于本领域技术人员而言是公知的。坐标测量机是定位设备，其典型的定位精度对于每个自由度为10μm或者更好，尤其为大约1μm，特别为在0.5μm至10μm之间。由于以坐标测量机的精度已知了测量装置的位置，所以可以在时间上积分干涉测量，从而可平均掉周围空气的折射率的具有短时间常量的变化。因此，可放宽为了保持空气折射率足够恒定而对空气条件的要求。

在根据本发明的一些实施例中，为了在不同测量位置中布置测量装置，定位设备（例如以上所提及的坐标测量机形式的定位设备）相对于测试物体定位干涉测量装置，该定位设备被配置为相对于至少一个轴（特别地相对于两个轴）倾转测量装置。这样，可在每个测量位置处倾转测量装置，使得测量波基本垂直地入射到测试表面的各个区域。可使用旋转倾转接头（joint）来实现这个功能。作为可替代的，可使用万向接头（cardan joint）。定位设备的倾转功能允许在测量期间将测试物体保持在相同的倾转位置，因此可避免测试物体的重力相关的变形以及对测量结果的相应校正。

在根据本发明的某些实施例中，为了在不同的测量位置中布置测量装置，定位设备相对于彼此定位干涉测量装置和测试物体，其中定位设备被配置为在至少四个轴上相对于彼此定位测量装置和测试物体。例如，定位设备可被配置为在一个轴（例如平行于z-轴的旋转轴）上定位测试物体，并且在三个轴（例如两个平移轴x和y以及旋转轴θ）上定位测量装置。这样的四轴定位设备可适用于非球面的测试。根据实施例，定位设备被配置为在五个轴中相对于彼此定位测量装置和测试物体。这种五轴定位设备的实施例可被配置为在两个轴（例如两个平移轴x和y）上定位测试物体，并且在三个轴（例如一个平移轴z和两个旋转轴θ和

上定位测量装置。这种五轴定位设备可适用于自由形状表面的测试。

在根据本发明的一些实施例中，为了在不同测量位置布置测量装置，定位设备相对于测试物体定位干涉测量装置，并且通过另一测量装置测量光学表面的其它特性，也通过定位设备相对于测试物体定位该另一测量装置。可以在形状测量之前或者之后进行其它特性的测量。除了第一测量装置之外，该另一测量装置也可安装到定位设备。在这种情况中，定位设备具有两个测量臂。可替代地，为了测量其它特性，第一定位设备可被替换为另一定位设备。这种另一测量装置的例子是粗糙度传感器，例如用于典型地在1μm×1μm或者10μm×10μm的小面积中测量光学表面的表面粗糙度的AFM-测量头。在另一可替代的实施例中，使用可同时执行多个测量功能的组合测量装置。

在根据本发明的一些实施例中，干涉测量装置包括配置为记录干涉图的探测设备以及成像光学部件，该成像光学部件包括至少一个弯曲反射镜并被配置为将光学测试表面成像到探测设备上。干涉测量装置中的包括至少一个弯曲反射镜的成像光学部件的使用允许鲁棒（robust）的形状测量，如以下更加详细描述的。

根据本发明的第二个方面，提供配置用于测量测试物体的光学表面的形状的干涉测量装置。该干涉测量装置包括配置为记录干涉图的探测设备以及成像光学部件，该成像光学部件包括至少一个弯曲反射镜并且被配置为将光学表面成像到探测设备上。

根据本发明的一个实施例，成像光学部件仅由反射镜元件构成。将光学表面成像到探测设备上的包括至少一个弯曲反射镜的成像光学部件的使用允许最小化成像误差的成像设计。通过使用至少一个弯曲反射镜，变得可以设计具有非常少的光学组件的成像光学部件，所述光学组件可被制造为具有很好的粗糙度以及形状特性。此外，至少一个弯曲反射镜的使用允许将成像光学部件设计为使得可以以相对于彼此稳定的构造布置成像光学部件的单独光学元件，从而所述成像光学部件在很大程度上对对准（alignment）不敏感。

在根据本发明的一些实施例中，干涉测量装置被配置为连贯地测量光学表面的不同区域并且还包括评估设备，该评估设备配置为通过计算地组合单个区域的测量而确定整个光学表面的形状。关于单个区域的测量的计算组合的各种实施例，参考关于本发明的第一方面的以上描述。

在根据本发明的某些实施例中，成像光学部件包括两个波前形成表面，该两个波前形成表面被配置为使得用于将光学表面成像到探测设备上的光学路径包括位于两个波前形成表面之间的焦点。这两个波前形成表面可为单个反射镜的两个不同部分或者可位于两个独立的反射镜上。

在根据本发明的一些实施例中，成像光学部件包含至少一个非平面反射镜，特别地至少一个抛物面反射镜。可替代的，该至少一个非平面反射镜可为球面反射镜。

在根据本发明的某些实施例中，成像光学部件被配置为使得用于将光学表面成像到探测设备上的光学路径入射弯曲反射镜（特别是抛物面反射镜）两次。根据一个实施例，对称地利用反射镜，这具有慧差补偿效果，如后面更加详细解释的。

在根据本发明的某些实施例中，成像光学部件还包括可旋转地安装的平面反射镜。这样，在干涉测量期间可旋转平面反射镜，以便平均平面反射镜的不均匀效果。这意味着可以通过旋转反射镜而平均掉由于反射镜的形状与平面形状的偏差而导致的对干涉测量的影响。特别的，可平均平面反射镜的中频到高频形状偏差。根据优选实施例，平面反射镜布置在成像光学部件的光学路径中，使得从弯曲反射镜反射的光反射回到弯曲反射镜，以二次入射到弯曲反射镜。

在根据本发明的一些实施例中，成像光学部件被配置为以1∶1的成像比率将光学表面成像到探测设备上，这意味着不放大。根据另一实施例，成像光学部件包括两个彼此相对布置的反射镜。在此实施例的一个变形中，两个反射镜的焦距比以及成像比率是1∶2。

在根据本发明的某些实施例中，成像光学部件包括布置在焦点同侧的两个反射镜，且该两个反射镜相对与彼此倾转。

在根据本发明的一些实施例中，成像光学部件包括不同焦距的两个反射镜，其中第二反射镜布置在第一反射镜的中心部分的区域中，从而就沿着第一反射镜的光轴传播的波而言，第一反射镜的中心部分被第二反射镜阻挡。

根据本发明的第三个方面，提供检验具有波整形表面的波整形元件的方法，该波整形表面被配置用于将测试波的波前适配于光学测试表面的目标形状。根据检验方法，波整形表面的不同区域被测量波连贯地照射。对于每个被照射的区域，在测量波与波整形表面的各个区域相互作用之后，测量测量波的波前。另外，计算地组合被测量的波前，分析所组合的波前并且因此确定波整形表面的波整形效果与目标波整形效果的偏差。

换言之，根据本发明的第三个方面，就波整形元件对入射波的波前的效果而言，检验波整形元件，例如包括计算机产生的全息图（CGH）。干涉测量设备通常使用这样的波整形元件，以便关于测试波的波前与目标形状的偏差而将测试波的波前适配于要测量的光学测试表面的目标形状。光学测试表面的目标形状可例如为非球面形状，其需要测试波的波前的长程（long range）修改。波整形元件具有实践上与目标波整形效果不同的波整形效果。在检验方法中，需要检验实际波整形效果与目标波整形效果的偏差。

根据检验方法，波整形元件在多个区域中被测量波照射，并且对于每个区域，例如使用干涉仪确定测量波在与波整形元件相互作用之后的波前。该按区域的测量也可称为子孔径测量。由于多个区域中的测量，测量场的直径可被保持得较小，以致于可以在不对波整形元件的长程波前形成效果进行补偿的情况下进行波前探测。在非球面目标波整形效果的情况中，由于子孔径较小，所以对于检验测量不需要校正非球面性。

为了获得空间中频偏差，关于测量结果，执行长程偏差的配合（fitting）并且减去配合结果。随后计算地组合针对不同区域测量的波前，每个测量波前是二维波前分布。这可例如通过将对应于关联区域的重叠部分的波前分布的部分彼此配合来完成，配合也被称为缝合。组合的波前随后被用于确定波整形表面（优选为整个波整形表面）的波整形效果与目标波整形效果的偏差。

有效地，在多个区域中检验波整形元件，并且组合测量结果。与在单个的测量中测量整个波整形表面时获得的精度相比，将波整形元件的波整形表面分成用于检验测量的多个单独区域可对于每个区域获得高精度测量。因此，在多个区域中分开测量并接着组合所述测量的发明构思允许关于波整形元件的波整形效果与目标波整形效果的偏差，以提高的精度检验波整形元件。

特别地，根据本发明的检验方法允许绝对检验CGH的波前形成效果与它的目标效果的空间中频偏差。“绝对”在此上下文中意味着在不引用参考表面的情况下确定（specify）测量结果。“空间中频（Mid-spatial-frequency）”在本文中是指本领域技术人员已知的经典泽尔尼克（Zernike）多项式Z1至Z36覆盖的频率之上的空间频率。

根据本发明的检验方法允许对对应于0.01mm至2mm之间的空间周期的空间频率范围中的偏差进行绝对检验，该空间周期小于具有200mm量级的直径的典型CGH的直径的百分之一。而且，通过根据本发明的检验方法可测量低空间频率的偏差，该偏差具有位于CGH的直径的百分之一到一倍之间的范围中的空间波长。通过CGH的局部结构周期给出空间频率的下限，该局部结构周期典型地位于1μm至10μm之间的范围中。另外，检验方法允许CGH的空间中频结构偏差与所谓的“严格效果（rigorous effect）”分离，该“严格效果”是来自标量衍射行为的偏差。

如以上所述，根据实施例，被连贯照射的波整形表面的多个区域彼此重叠，并且通过将测量的波前的重叠部分彼此配合而执行测量的波前的计算组合。如以上所提及的，要检验的波整形元件可包括衍射元件，例如CGH。可替代的，波整形元件还可为透镜，自由形状表面的非球面。

在根据本发明的一些实施例中，测量波在与波整形表面的各个区域相互作用之后穿过放大成像光学部件。放大成像光学部件允许测量空间中频波前分量，在非放大成像的情况中，波前探测器不能捕获该空间中频波前分量。放大成像光学部件成像各自具有较小的本振频率（local frequency）的空间中频波前分量，从而可以通过用于测量波前的波前探测器捕获该空间中频波前分量。放大成像光学部件的成像比例可适配于感兴趣的中间频率区域。可将不同空间频率区域中的测量彼此组合，以覆盖更大的空间频率范围。

根据一个实施例，在测量之间旋转放大成像光学部件并且测量的可变波前分量归因于成像光学部件。这样，可以从测量结果中消除成像光学部件引入的误差。

根据一些实施例，为了在成像中保存波前，放大成像光学部件配置为4f-成像光学部件。根据适合于在这里使用的变形，4f-成像光学部件包含具有不同焦距的两个透镜。

在根据本发明的某些实施例中，由测量设备进行波前测量，该测量设备包括将测量波指引到波整形元件上的照明光学部件以及用于测量测量波与波整形表面相互作用之后的测量波的波前的探测光学部件。根据实施例，照明光学部件和探测光学部件彼此刚性相连。通过在所不同区域的照射之间相对于彼此位移所述测量设备和所述波整形元件，而由所述测量波连贯地照射所述波整形表面的不同区域。由此，可位移波整形元件和/或测量设备。可替代的或者附加的，可在测量之间旋转波整形元件。

在根据本发明的某些实施例中，通过坐标测量机支撑测量设备，并且通过该坐标测量机相对于波整形元件定位该测量设备。在本申请中多次讨论坐标测量机，可以引用它们以获得更多细节。

在根据本发明的一些实施例中，波整形表面包括衍射结构并且在测量波在各个波整形区域中的衍射结构处衍射之后，在正衍射级和负衍射级中测量测量波的波前。根据一个变形，正衍射级和负衍射级具有相同的绝对值，但具有不同的符号，例如+1和-1衍射级。可替代的，可使用不同绝对值和相反符号的衍射级。为了产生正和负衍射级，可测量波整形元件两次，其中波整形元件在测量之间旋转180度。

在根据本发明的某些实施例中，针对正衍射级和负衍射级测量的波前彼此相减。减法的结果包含衍射结构的、符号随着衍射级的符号而反转的所有空间中频偏差。在减法中抵消了符号不随衍射极的符号而变化的空间中频偏差。

附加的或者可替代的，可以相加针对正衍射级和负衍射级而测量的波前。在此情况下，空间中频偏差维持它们的符号而不随衍射级的符号的变化而变化，空间中频偏差保留在该和中，而符号改变的偏差被抵消。在衍射级的不同符号下测量波前在载频CGH的情况中特别有用。这种载频CGH在本技术领域中是已知的，并且可由高线密度的彼此交替相邻定位的两种不同类型的衍射元件形成。

根据其它实施例，在测量波的不同波长处进行测量，并且分析结果，以便分离依赖于波长的偏差。特别地，严格效果呈现相当大的波长依赖性。比较在不同波长处测量的严格效果允许对严格效果非常精确的分析。

另外，根据本发明提供测量设备和检验设备，该测量设备配置为执行根据本发明的第一方面的测量方法，并且该检验设备配置为执行根据本发明的第三方面的检验方法。包含于根据本发明的各个方法的以上所描述的实施例中的特征可转到根据本发明的各个设备，反之亦然。因此，本发明的公开明确地覆盖由此产生的设备的实施例。

另外，根据本发明的第四方面，提供一种具有光学表面的光学元件，该光学表面适配于非球面目标形状，从而所述光学表面的实际形状相对于目标形状的、具有0.015mm至2mm之间的空间波长的变化被限制为最多100pmRMS（均方根）。根据光学表面上的多个局部振幅A_l计算RMS值，如本领域技术人员所熟知的。

例如可使用根据本发明的第一方面的测量方法和/或根据本发明的第二方面的干涉测量装置制造这样的光学元件。另外，可使用包括波整形元件的干涉测量设备制造上述光学元件，其中，已经使用根据本发明的第三方面的检验方法使该波整形元件检验。当使用干涉测量设备干涉地测量光学元件的形状时，考虑由检验方法确定的波整形表面的波整形效果与目标波整形效果的偏差。

使用根据本发明的第一方面的测量方法，根据本发明的第二方面的干涉测量设备和/或采用根据本发明的第三方面的检验方法检验的波整形元件的测量设备允许以如下的精度测量光学元件的光学表面的实际形状关于非球面目标形状的偏差，该精度使得可以后续加工该光学表面，从而可满足以上所提及的容限。当前可得的光学元件不满足这些规格要求。

在根据本发明的一些实施例中，光学元件的光学表面适配于非球面目标形状，从而所述光学表面的实际形状相对于目标形状的、具有0.015mm至30mm之间的空间波长的变化被限制为最多100pm RMS，尤其是最多50pmRMS或者最多10pm RMS。具有0.015mm至30mm的空间波长的变化也被称为空间中频变化。

在根据本发明的光学元件的一个实施例中，光学表面的目标形状是非旋转对称自由形状表面并且该目标形状与其最佳拟合球面形状的偏差至少5μm，尤其是至少20μm。这意味着目标形状分别在目标形状的至少一个位置处与其最佳拟合球面表面偏差至少5μm或者至少20μm。根据本发明的变形，目标形状具有与其最佳拟合球面至少5μm并且最多10mm的偏差，尤其是最多1mm。

在根据本发明的光学元件的一个可替代实施例中，光学表面的目标形状是旋转对称非球面表面，并且目标形状具有与其最佳拟合球面表面至少500μm的偏差，尤其是至少2.5mm。因此，目标形状分别在目标形状的至少一个位置处与其最佳拟合球面表面偏差至少500μm或者至少2.5μm。

在根据本发明的光学元件的另一实施例中，光学表面的目标形状配置为旋转对称非球面表面的偏离中心的部分，并且目标形状具有与其最佳拟合球面表面至少500μm的偏差。旋转对称非球面表面的这种偏离中心的部分还可被称为“离轴非球面”。在一个实施例中，偏离中心的部分不包括旋转对称非球面表面的顶点。

根据另一实施例，将光学元件加工到满足足以用于微光刻应用的容限，尤其是满足足以用于使用极紫外辐射（EUV）的微光刻应用的容限。具有所提及的容限的光学元件可用于例如微光刻的曝光工具的投射光学部件中。光学元件的容限可例如从US 2007/0058269A1中获得，通过引用将该文献合并到这里。

在根据本发明的一些实施例中，光学元件被配置为透射透镜，在其它实施例中为反射镜。在配置为反射镜的情况中，光学元件可用于微光刻EUV投射曝光工具中。

附图说明

参考以下示意性附图，根据本发明的示例实施例的以下详细描述，本发明的前述以及其它有利特征将更加明显，其中：

图1示出用于测量光学表面的形状的测量设备的实施例，该测量设备包括干涉测量装置；

图2示出在校准配置中的根据图1的测量设备；

图3示意地示出根据图1的测量设备中的信号处理结构；

图4示出用于测量光学表面的形状的测量设备的另一实施例，该测量设备也包括干涉测量装置；

图5示出根据图1的实施例或者图3的实施例的测量设备中包括的干涉测量装置的第一实施例，其中图5中所示的干涉测量装置的光学路径为平行光线的形式；

图6示出图4的干涉测量装置的、形成光学表面14的像的光线的形式的光学路径；

图7示出根据本发明的第二实施例的干涉测量装置；

图8示出根据本发明的第三实施例的干涉测量装置；

图9示出根据本发明的第四实施例的干涉测量装置；

图10示出用于使用根据本发明的校准方法校准的波整形元件测量测试物体的光学表面的形状的另一测量设备；

图11示出为了校准根据图10的测量设备所使用的波整形元件，进行根据本发明的校准方法的检验设备的第一实施例；

图12示出用于进行根据本发明的校准方法的检验设备的第二实施例；

图13示出用于相对于测试物体定位根据图11或者图12的检验设备的定位设备。

图14描绘根据本发明的具有旋转对称非球面表面的光学元件的第一实施例的横截面图；

图15示出图14中所示的光学元件的俯视图；

图16以俯视图示出根据本发明的离轴非球面形式的光学元件的第二实施例；以及

图17描绘根据本发明的具有自由形状表面的光学元件的第三实施例的横截面图。

具体实施方式

在以下所描述的本发明的实施例中，功能或者结构相似的组件尽可能通过相同或者相似的附图标记指示。因此，为了理解特定实施例的单独（individual）组件的特征，应参考本发明其它实施例或者概要的描述。

图1示意地示出用于测量测试物体12的光学表面14的形状的测量设备10。测试物体12可例如为反射镜或者透射光学透镜等。测量设备10包括定位设备22、干涉测量装置16和物体支撑体48。定位设备22配置为相对于彼此定位干涉测量设备16和测试物体12，干涉测量设备16配置为测量头，测试物体12由物体支撑体48支撑。

干涉测量装置16产生指向测试物体12的光学表面14的测量波18。可以根据以下关于图5到9更详细描述的多个实施例配置干涉测量装置16。

测量设备10被配置用于测量光学表面14与其目标形状的偏差，其中目标形状可为非球面表面或者所谓的自由形状表面。在本申请的上下文中的非球面表面的情况中，目标形状是非球面，但是该目标形状通常关于对称轴对称。根据实施例，非球面表面的目标形状与其最佳拟合（fitting）球面表面偏差至少500μm。

非球面可为所谓的轴上（on-axis）非球面，在这个情况中，被测试的轴表面14包括旋转对称非球表面的顶点。可替代的，测试下的光学表面14也可以是所谓的“离轴（off-axis）非球面”，在这个情况中，测试偏离中心（off-center）的部分（不包括顶点）。在自由形状表面的情况下，光学表面14的目标形状是非旋转对称的。根据自由形状表面的实施例，目标形状偏离其最佳拟合球面表面至少5μm，根据另一实施例至少为20μm。

定位设备22配置为在以下详细介绍的五个轴上相对于彼此定位测量装置16和测试物体14，并且该定位设备22因此适合于测试非球面和自由形状表面两者。定位设备22的五个轴包括三个平移轴和两个倾转（tilt）轴。在图1所示的实施例中，物体支撑体48可在根据图1所示的坐标系统的x-和y-方向上移动，并且干涉测量装置16可在z-方向上移动以及关于以下所解释的两个倾转轴倾转。定位设备22可被配置为所谓的坐标测量机，其在本申请中详细说明。

定位设备22包括框架23，该框架23由基座板28、两个垂直条24和连接到垂直条24的横条26形成。定位设备22还包括用于在x-方向和y-方向上移动物体支撑体48的移动机构。通过第一滑动装置42和第二滑动装置46配置该移动机构，该第一滑动装置42可在基底板28上沿x-方向移动（如双箭头44所示），该第二滑动装置46可在第一滑动装置42的顶部沿y-方向移动（如双箭头47所示）。

定位设备22还包括测量头定位装置30，其配置为允许干涉测量装置16形式的测量头在垂直方向（即在z轴方向上，如双箭头32所示）上移动。而且，测量头定位装置30配置为关于旋转轴34旋转测量头，该旋转轴34布置在x-y平面上并且因此垂直于z-轴。在图1中通过双箭头36示出关于旋转轴34的旋转移动θ。

测量头定位装置30的构造还允许旋转轴34关于第二旋转轴38的旋转，该第二旋转轴38平行于z-轴。通过双箭头40表示关于旋转轴38的旋转运动

。测量头定位装置30中的机构被配置为使得：用于围绕旋转轴34旋转测量装置16的整个旋转机构可围绕旋转轴38旋转。因此，旋转轴34可布置在x-y平面中的任意旋转位置中。

在测量设备10的操作中，光学表面14的不同重叠区域20被测量波18连贯地（consecutively）照明。对于要照明的光学表面14的每个区域20，倾转干涉测量装置16，使得入射到光学表面14的照明区域20的测量波18是基本垂直入射。由于光学表面14在照明区域20中的形状和测量波的形状不同，所以测量波18不是完全以垂直入射的方式入射到照明区域的每个位置处。可以调节测量波18的倾转，使得测量波18以90°角入射到光学表面14的照明区域20的中心。可替代的，可调节测量波18的倾转，使得入射在照明区域20上的平均角度为90°。

在光学表面14具有非球面形状的情况中，以及甚至在光学表面14具有自由形状表面的形状的情况中，光学表面14的平均法向（average normal）在不同区域20之间不同。测量头定位装置30的倾转机构允许所有这些角度被对准（align），以便相应地调节入射测量波18的角度。

在光学表面14的测量过程中，物体支撑体48在x-y平面中移动并且测量装置16相应地倾转，使得测量波18对光学表面14的区域20一个接着一个地连贯照明。根据光学表面14的要测量的各个区域20处的给定目标形状计算各个倾转设置。区域20被选择为覆盖光学表面14的感兴趣的区域，特别地，覆盖整个光学表面14，其中区域20与它们各自的相邻区域20重叠。

在整个形状测量过程中，测量装置16的倾转机构允许测试物体12保持在同一倾转位置。当安装在用于微光刻的投射曝光系统中时，该倾转位置优选对应于物体12的倾转位置。这是非常重要的，因为倾转位置的变化可改变物体12的光学特性至对投射曝光系统的操作有影响的程度。

在每个测量步骤中，测量波18照明光学表面14的特定区域，并且干涉测量装置16测量区域20的形状，图3中所示的评估（evaluation）装置76记录干涉测量装置16的倾转位置以及测量装置16和测试物体12之间的位置关系。因此，从用于各个测量位置的定位设备22的倾转设置获得测量装置16的倾转位置。

通过使用位置测量系统51的三个激光追踪器50测量测量装置16相对于测试物体12的位置坐标，而确定测量装置16和测试物体12在各个测量位置处的位置关系。三个激光追踪器50在围绕物体支撑体48的不同位置处固定到物体支撑体48。每个激光追踪器50由距离测量激光干涉仪52和倾转机构构成，该倾转机构配置为相对于第一垂直倾转轴54（通过双箭头56指示该倾转运动）和垂直于第一倾转轴54的第二倾转轴58（通过双箭头60示出该倾转运动）倾转激光干涉仪52。

在干涉测量装置16的每个测量位置处，三个距离测量激光干涉仪52测量到固定于测量装置16的回射器（refro-reflector）62的距离。在图1所示的实施例中，回射器62被配置为球面形状。依据测量装置16要采用的角度范围，可在测量装置16处布置多个回射器62，例如每个激光追踪器50一个回射器62。每个距离测量激光干涉仪52发射最小发散度的激光光束，从而回射器62被点状照明。根据发射的激光光束和从回射器62反射回的光束之间的相移，确定各个激光干涉仪52和回射器62之间的距离。

如图2中所示，每个激光干涉仪52的激光发射点64确定参考点。三个激光干涉仪52的关联的参考点64和由回射器62确定的测量点形成四面体。参考点之间的距离例如从以下所描述的校准过程获知。

参考点和测量点之间的测量距离允许关于参考点确定测量点的位置坐标。该测量的原理还用于GPS（全球定位系统）并且例如从DE 3205362C2获知。该原理的使用允许在测量装置16的每个测量位置处测量测量装置16的位置坐标。

图2示出具有另一激光追踪器50c的测量设备10，该激光追踪器50c布置在物体支撑体48处，用于校准位置测量系统51。通过凸出臂70支撑用于校准的激光追踪器50c，使得其激光发射点64c位于由三个激光追踪器50的激光发射点64构成的平面66之外。在校准过程中，通过激光追踪器50中的每个和附加的激光追踪器50c测量到回射器62的距离。

图2示出激光追踪器50和50c的瞄准回射器62的激光光束68和68c。在校准过程中，通过四个激光追踪器50和50c测量干涉测量装置16的移动范围内的多个定位的位置。由于测量的相对位置的超定（overdetermination），确定了三个激光发射点64的相对位置，例如DE 3205362C2中所描述的。

如此，已知了以上所提及的激光发射点64形式的参考点之间的距离，并且该距离在测量设备10工作期间可用作以上所描述的回射器62的位置坐标的测量的基础。可选择地，物体支撑体48可关于垂直旋转轴49旋转，如图2中所示。

图3是示出根据图1的测量设备10工作期间的信号处理的示意图。干涉测量装置16和物体支撑体48彼此连贯地布置在不同的测量位置处，从而在每个测量位置，由物体支撑体48支撑的光学表面14的不同区域20被测量波18照明。如上已经描述的，位置设备22由此在两个倾转自由度θ和

以及一个转移自由度z上充分地调节物体支撑体48。

另外，位置设备22在x和y上定位物体支撑体48。在每个测量位置，测量波18的波前在与光学表面14的相应区域22相互作用之后由测量装置16干涉地确定。根据被确定的波前，光学表面40的各个区域20的形状被确定且被传送给评估装置76。

在每个测量位置，处理器72确定测量装置16相对于物体支撑体48的位置坐标（x，y，z）。处理器72根据如以上说明的激光追踪器50测量的距离确定这些位置坐标并且将这些位置坐标传送到评估装置76。控制器74控制测量装置16和物体支撑体48的定位，该控制器74将相应的位置设置传送给定位设备22，所述位置设置包括测量装置16和物体支撑体48所采用的倾转和位置坐标。

控制器74还传送每个测量位置处的位置设置到评估装置76。评估装置76组合不同区域20的形状，所述不同区域20的形状由测量装置16基于处理器72提供的测量的位置坐标以及控制器74针对每个测量位置传送的位置设置而确定。

在光学表面14的不同重叠区域20处执行的干涉测量也可被称为子孔径（sub-aperture）测量。通过将子孔径测量的重叠部分彼此配合（更准确地讲，通过将与不同区域20关联的所测量的形状彼此配合），以及基于测量装置16的所测量的位置坐标校正配合结果，可相应地执行基于所测量的位置坐标的子孔径测量的计算组合。

重叠部分彼此的配合也可称为缝合（stitching）。关于重叠部分彼此的配合，缝合对于本领域技术人员而言是已知的，但未考虑测量的位置坐标，如本发明所建议的。

典型地，光学表面14被分成约1000个独立测量的区域20，并且随后计算地组合所述区域20，所上所述的。

图4示出了用于测量光学表面的形状的测量设备的另一实施例110的区域。测量设备110与图1所示的测量设备10的不同之处仅在于定位设备22（根据图4由附图标记122表示）的构造。为了突出定位设备之间的差异，图1中已经图示的元件（例如激光追踪器50）没有在图4中示出。而且定位设备122可配置为坐标测量机。

测量设备110包括干涉测量装置16、物体支撑体148和定位设备122。定位设备122配置为关于平行于竖直z-轴的旋转轴49旋转物体支撑体148，如双箭头150所示。另外，干涉测量装置16可在y-方向上移动（如双箭头47所示）以及在z-方向上移动（如双箭头32所示）。另外，定位设备122配置为执行测量设备16关于旋转轴134（平行于x-轴）的θ-倾转。通过双箭头136示出倾转运动。

定位设备122因此是四轴定位设备，三个轴用于在三维空间中定位干涉测量装置的定位，一个轴用于物体支撑体148的旋转。定位设备122包括两个具有水平导轨129的基座板128。在水平导轨129中，两个垂直条124在y-方向上可滑动。垂直条124继而各自包括垂直导轨125，在垂直导轨125中轴杆（shaft）135在z-方向是可滑动的。轴杆135可围绕旋转轴134旋转。

图5到8示出图1到图4中所示的测量装置16的、根据本发明的不同实施例。如以上所提及的，干涉测量装置16配置为产生用于照明测试物体12的光学表面14的区域20的测量波18。

图5示出干涉测量装置16的第一实施例216。测量装置216包括用于传递由图中未示出的光源产生的测量光222的光纤220。光源可例如为发射632.8nm波长的相干光的氦氖激光器。可替代的，不同波长的相干光也可用作测量光222。

测量光222从光纤220作为发散光束出射，由准直器224准直，并随后穿过第一分束器250和第二分束器226。随后测量光222以入射测量光222a的平面波的形式朝向测试物体12的光学表面14传播。入射测量光222a的波前也可具有区域20的目标形状的最佳拟合球面的形状。

入射测量光222a的传播方向和测试物体12彼此对准，使得入射测量光222a的单个光线平均上以垂直于光学表面14或者至少接近垂直的方式入射到测试下的光学表面14的各个区域20上。可替代的，该对准可以使得区域20的中心部分被入射测量光222a垂直地照射。

在入射到光学表面14上之前，入射测量光222a进入具有斐索（Fizeau）表面230的斐索元件228。通过斐索表面230，入射测量光222a的一部分被反射作为参考光232。剩余的入射测量光222a在光学表面14的各个区域20处反射，并且在下文中称为反射测量光222b。

如可从斐索元件228看出的，干涉测量装置216是斐索型干涉仪。替代地，也可以使用特环曼格林型干涉仪（Twyman-Green-type interferometer）、迈克尔逊型干涉仪（Michelson-type interferometer）、Mach-Zehnder型干涉仪、点衍射型干涉仪以及任意其它合适类型的干涉仪。

反射测量光222b和参考光232的一部分强度被分束器226反射，并且穿过反射镜光学部件形式的成像光学部件，该反射镜光学部件被配置为将光学表面14的区域20成像到探测设备244的探测表面上。探测设备244为照相机的形式，其关于入射光的波前倾转大约20°到30°。

参考光232和反射测量光222b在探测设备244的探测表面上产生干涉图案。评估多个干涉图案以确定被测试区域20的范围中的光学表面40的形状。将所确定的形状与光学表面14的已知目标形状相比较以确定实际形状与目标形状的偏差，并且因此确定光学表面的实际形状。

用于将光学表面14成像到探测设备244上的反射镜光学部件包括较大抛物面反射镜234形式的弯曲反射镜和平面倾转反射镜240。抛物面反射镜234和反射镜240被布置为使得在关于抛物面反射镜234的轴235的两个对称布置的部分处，反射的测量光222b入射到抛物面反射镜234上。所述对称布置的部分后面称为第一波前形成表面236和第二波前形成表面238。在第一波前形成表面236上的反射之后，光222b被平面倾转反射镜240反射到第二波前形成表面238上。平面倾转反射镜240因此布置在中间焦点242处并且可配有小孔（pinhole）。在一个实施例中，平面反射镜240被可旋转地安装。在干涉测量期间，反射镜240被旋转，以便平均掉（average out）测量中由于平面反射镜与平面形状的偏差而导致的效应。

抛物面反射镜234的对称使用具有彗差（coma）补偿效果并且允许将较大场成像到探测设备244上。因此光学表面14上的区域20可被选择为较大尺寸。此上下文中的抛物面反射镜234的对称使用的慧差补偿效果是指在以下情况下产生的慧差，即如果测试物体12和/或斐索元件228未被最佳地对准，使得反射测量光222b和/或参考光232在入射到第一波前形成表面236之前不平行于抛物面反射镜234的轴235传播。因此，抛物面反射镜的对称使用允许更鲁棒（robust）的形状测量，就此而言，测试物体12或者斐索元件228的对准的漂离不在很大程度上影响测量的精度。

干涉测量装置216还包括距离传感器246，其使用分束器250产生引导到测试物体12的光学表面14上的距离测量激光248。距离传感器246用于在进行干涉测量之前关于测量装置216对准测试物体12。

图5示出了干涉测量装置216的平行光线形式的光学路径。如果测试物体的光学表面14不存在表面不平坦，则存在这种平行光线。在这种情况中，100%的光平行地传播。图6示出干涉测量装置216的以将表面14成像到探测设备244上的光线的形式的光学路径，探测设备244由在此路径中成像的示例性的表面点260a、260b和260c示出。

实际上，光学路径是图5中所示的平行光线路径以及图6中所示的成像光线路径的混合。抛物面反射镜234的对称使用对平行光线路径和成像光线路径两者都具有上述慧差补偿效果。测量设备216的光学部件将光学表面14以1:1的成像比率成像到探测设备244上，即意味无放大。

图7示出干涉测量装置16的第二实施例316。在这个以及以下的实施例中，与图4中所示的测量装置216相同或者相似的元件用相同的附图标记表示并且不再明确引用。测量装置316包括成像比率为1∶2并且因此具有2∶1的焦距比的成像光学部件。

测量装置316包括两个彼此面对的抛物面反射镜，较大的第一抛物面反射镜334a和较小的第二抛物面反射镜334b。反射测量光222b首先在第一抛物面反射镜334a的偏离中心的部分处入射到第一波前形成表面336上，会聚到中间焦点342，并且随后在第二抛物面反射镜334b的偏离中心的部分形式的第二波前形成表面338处反射。两个抛物面反射镜334a和334b位于中间焦点342的相对侧上。

图8示出干涉测量装置16的第三实施例416，其也包括两个抛物面反射镜：布置在测试表面14侧的第一抛物面反射镜434a以及布置在探测设备244侧的第二抛物面反射镜434b。抛物面反射镜434a和434b具有不同的焦距并且平面倾转反射镜240布置在中间焦点442处。抛物面反射镜434a和434b布置在焦点442的同侧。通过围绕焦点442旋转第二抛物面反射镜434b来优化布置的几何形状。抛物面反射镜434a和434b的偏离中心的部分形成各自的波前形成表面436和438。

图9示出干涉测量装置16的第四实施例516。这里，源自光纤220的测量光222在入射到测试物体12的光学表面14上之前穿过分束器526并且随后经由成像光学部件的第一抛物面反射镜534a和平面反射镜552传播。

分束器526将来自第一抛物面反射镜534a的测量光222b向第二抛物面反射镜534b反射。抛物面反射镜之间的焦点542位于分束器526和第二抛物面反射镜534b之间，该第二抛物面反射镜534b小于第一抛物面反射镜534a。小孔板543布置在焦点542处。

两个抛物面反射镜534a和534b指向相同的方向，其中，就在第一抛物面反射镜534a的轴535的方向上朝向第一抛物面反射镜534a传播的光而言，第二抛物面反射镜534b覆盖部分的第一抛物面反射镜534a，其中第一抛物面反射镜534a的形成第一波前形成表面536的部分保持不被第二抛物面反射镜534b覆盖。第二抛物面反射镜534b的偏离中心的部分形成第二波前形成表面538，用于测量光222b的反射。

对于图5到9中所示的干涉测量装置，还可使用球面反射镜来替代抛物面反射镜。另外，例如为了减少测量设备244的倾转，还可使用具有不完全是抛物面的形状的非球面反射镜。

除了测量装置16之外，根据图1的定位设备22和根据图4的定位设备122还可配备的一个或者多其它的测量头。这种其它的测量头可例如是粗糙度传感器（例如AFM测量头），其能够测量典型为1μm×1μm到10μm×10μm的较小区域中的粗糙度。可选择地，可使用可同时执行多个测量功能（例如形状和粗糙度测量）的组合测量装置。

图10示出用于干涉地测量测试物体12的光学测试表面14的实际形状与目标形状的偏差的另一测量设备610。测试物体12安装在图中未示出的测试件支撑体上。与根据图5的测量测量装置216相比，测量设备610包括包含衍射波整形结构649（如计算机产生的全息图（CGH））的整形元件646，该整形元件646配置为使测试波的波前适配于测试物体12的光学表面14的目标形状。将在以下详细地描述测量设备610。为了获得光学表面14的形状的高精度测量，在使用测量设备610中的波整形元件之前，根据本发明校准波整形元件646。后面参考图11到13说明根据本发明的校准方法。

在第一示例中，说明使用经校准的波整形元件646测量光学表面14的形状的测量设备610的操作。测量设备610包括干涉仪616，该干涉仪616包括光源单元618、分束器634以及干涉仪照相机658。光源单元618包括激光器621，例如，发射632.8nm波长的相干光的激光光束622的氦氖激光器。聚焦透镜624将激光光束622聚焦到空间滤波器626的小孔孔径上，使得相干光的发射光束628从该小孔出射。在所示的实施例中，发散光束628的波前大致是球面。

透镜元件组630将发散光束628准直，以形成具有大致平面波前的照明光束619。照明光束619沿着干涉仪616的光轴632传播并且穿过分束器634。

图10中所示的干涉仪616是斐索型干涉仪。但是应注意到本发明并不限于这样的干涉仪。可使用任意其它类型的干涉仪，例如特环曼格林型干涉仪（Twyman-Green-type interferometer）、迈克尔逊型干涉仪（Michelson-typeinterferometer）、Mach-Zehnder型干涉仪、点衍射型干涉仪（point diffractiontype interferometer）以及任何其它适合类型的干涉仪。

照明光束619进入具有斐索表面638的斐索元件636。通过斐索表面638，照明光束619的光的一部分被反射作为参考波640。穿过斐索元件636的照明光束620的光具有平面波前642，并且在后面表示为关于布置在其光束路径中的衍射光学元件形式的波整形元件646的入射波620。

可选地，为了提供具有球面波前的入射波620，可在光束路径中布置使已经穿过斐索元件636的照明光束619的光变形的预整形光学部件。在图10中所示的例子中，然而，入射光波620是平面波。波整形元件646包括衍射表面648，该衍射表面648包括衍射波整形结构649。

衍射波整形结构649是全息图，该全息图可以通过利用参考光以及从具有对应于光学测试表面12的目标形状的表面的光学表面反射的光来曝光照相板产生，或者，该全息图可以是通过使用计算机计算相应的光栅而产生的计算机产生的全息图（CGH），涉及诸如光线追踪以及在基板650的表面上描绘计算的光栅的方法。该光栅可以例如由光刻方法形成。

在波整形元件646的衍射表面648处衍射入射波620。从那里产生的衍射波称为适配波644，其具有适配于光学测试表面14的目标形状的波前。适配波644因此自动准直地入射到光学测试表面14上，在该光学测试表面14上该适配波644被反射。反射的适配波644的波前包含关于光学测试表面12的实际形状与其目标形状的偏差的信息。在可替代的实施例中，适配波644穿过光学测试表面14并且由随后的反射镜反射。

如图10中进一步示出的，与光学测试表面14相互作用的适配波644基本传输回入射波620的光束路径中，穿过斐索元件636，并且反射的适配波644的一部分被分束器634反射。通过包含干涉仪光阑（stop）657的照相机658的物镜透镜系统，将分束器634反射的适配波644成像到照相机芯片654的感光表面652上，从而光学测试表面14被成像到照相机芯片654上。

参考波640的一部分也被分束器634反射到照相机芯片654的感光表面652上。参考波640和反射的适配波644在感光表面652上产生干涉图案。由参考波640和适配波644的叠加产生的波被称为产生干涉图案的残波（residual wave）。干涉测量设备610还包括评估装置660，该评估装置660被适配于基于所测量的干涉图案，确定光学测试表面14的实际形状与目标形状的偏差分布。

图11示出用于校准用于根据图10的测量设备610中的波整形元件646的、根据本发明的实施例中的检验（qualification）设备710。如以上所提及的，波整形元件646具有包括衍射波整形结构649（例如计算机产生的全息图的形式）的衍射表面648形式的波整形表面。在测量设备610中，衍射表面648执行将入射波620的波前适配于光学测试表面14的目标形状的功能。因此，该衍射表面具有目标波整形效果，即将入射波620的波前精确地适配到光学测试表面14的目标形状的效果。

图10意在示出包括衍射波整形元件的测量设备的总体构思。以下所描述的根据本发明的校准方法可用于校准用于根据图10的测量设备610中或者这种测量设备的其它变形中的衍射波整形元件。有利地，使用根据本发明的校准方法校准US 2009/0128829A1（通过引用将其全文合并到这里）的图1中所示的测量设备中包含的衍射元件48。

通过根据本发明的校准方法，如以下描述地确定衍射表面648的实际波整形效果与目标波整形效果的偏差。当基于测量的干涉图案确定光学测试表面14的实际形状时，通过测量设备610的评估装置660考虑该偏差信息。

如图11中所示，检验设备710包括用于产生测量波722的照明单元712。根据实施例，测量波722与测量设备610的入射波620配置有相同的波前。在这种情况中，测量波722是平面波。照明单元712包含发射波长为632.8nm的激光的激光器，例如氦氖激光器。通过聚焦透镜716将激光聚焦到空间滤波器718的小孔上，从而从该小孔中出射相干光的发散光束。该发散光束由准直器720准直，以形成测量波722。

测量波722的部分光被分束器724分离，以形成参考波728，该参考波728通过准直透镜730耦合到光纤732中。穿过分束器724的测量波722的光穿过具有衍射表面648形式的波整形表面的波整形元件646。限制测量波722的横向延伸，使得测量波722的光仅照射衍射表面648的区域。被测量波722照明的区域可例如为1mm×1mm大小的正方形，其中衍射表面648的整个区域可以具有200mm的直径。

透射穿过波整形元件646之后，测量波722的波前由于衍射表面648的波整形效果而被修改。类比于测量设备610中的适配波646，透射穿过波整形元件646之后的测量波722在下文中被称为适配测量波723。适配测量波723随后进入放大成像光学部件734，该放大成像光学部件734以放大的比例将衍射表面648的照明区域成像到探测照相机740的探测表面742上。在所示情况中，放大率为β=-10。配置成像光学部件734，使得当穿过成像光学部件734时保持适配测量波723的波前的形状。

放大成像光学部件734被配置为本领域技术人员已知的所谓的4f-成像光学部件。关于4f-成像光学部件的结构和功能，参考Freimann&Gross的“Propagation of the phase distribution through double telecentric optical systems(相位分布通过双远心光学系统的传播)”，Optik 105，105卷，No.2(1997)，69-73页。

根据图11的放大成像光学部件734包括显微物镜736和正折射力的透镜或者透镜组738。光纤732的端部布置在成像光学部件734的内侧，使得参考波728与适配测量波723在探测照相机740的探测表面742上形成干涉图。在检验设备710工作期间，分束器724如双箭头726所示地前后移动，以便产生相移。针对不同相位设置记录干涉图，并且通过评估装置744由此确定适配波723的波前的形状。该波前表示衍射表面648的照明区域的波整形效果。

随后，波整形元件646相对于测量波722的传播方向横向位移，使得衍射表面648的第二区域被测量波722照明，其中第一区域和第二区域具有重叠部分。对于第二区域，重复上述波前测量。随后，波整形元件646如双箭头746所示地步进地（step by step）横向位移，从而整个衍射表面648在重叠区域中被连贯地照明。波整形元件646的按区域逐步（region-by-step）的测量也可被称为子孔径测量。

随后，评估装置744计算地组合为各个区域而测量的波前。这通过将所测量的波前中的对应于衍射表面648的各个照明区域的重叠部分的部分彼此配合而完成。该计算的组合也可被称为缝合。

根据由评估装置744缝合的波前，确定衍射表面648的波整形效果与目标波整形效果的偏差。这通过将测量的波前与给定的衍射表面648所预期的波前相比较而完成。根据衍射表面648的设计可计算所预期的波前，衍射表面648的设计确定它的目标波前整形效果。

典型的，衍射表面648的波整形效果与目标波整形效果的偏差具有比目标波前相对于平面波的变化（variation）高得多的频率，其可由经典Zernike多项式描述。这些偏差随后也被称为空间中频（mid-spatial frequency）偏差。在根据本发明的一个实施例中，通过将Zernike多项式数学地拟合到测量的缝合波前并从测量的缝合波前中减去拟合的波前，而确定空间中频偏差。对于该操作，仅考虑Zernike多项式Z1到Z36就足够。该减法的结果表示衍射表面648的波整形效果与目标波整形效果的偏差。

图12示出根据本发明的检验设备的另一实施例810。这个实施例与图11中所示的实施例710的不同之处仅在于以下所涉及的细节。检验设备810包括围绕波整形元件646引导参考波728的角隅棱镜832，代替用于将参考波728引导到放大成像光学部件734的光纤。

随后通过准直器833准直参考波728，并且使用反射板835将参考波728与适配测量波723叠加。为了获得不同相位处的干涉图，角隅棱镜832在入射参考波728的方向上前后移动（如双箭头826所示）。在检验设备810中，照明单元712与包括成像光学部件734和探测照相机740的探测单元通过刚性框架848彼此相连。

图13示出在三个正交平移维度x，y和z上定位检验设备810的定位设备850。在此配置中，在波整形元件646保持静止的同时，在子孔径测量之间位移照明单元712和探测单元。作为定位设备850，使用坐标测量机，其具有支撑波整形元件646和门架（portal）852的平台（table）854，门架852支承定位臂853，定位臂853支撑检验设备810。

为了将形成CGH-效果的波形状的空间中频偏差与成像光学部件734和照明单元712的光学部件的偏差分离，将测量的空间中频偏差平均。此外，有利地，在不同旋转角度下测量波整形元件646，以便改进平均。为了这个目的，安装波整形元件646，使得其可关于入射测量波722倾转，如图11中的双箭头746所示。

所有不变波前分量归因于检验设备710或810，可变分量归因于波整形元件646。经平均的测量结果基本包含检验设备710或810的空间中频偏差。随后可从所有单次测量中减去这些，从而波整形元件646的空间中频偏差的常数项为已知。

在另一实施例中，仅仅旋转成像光学部件734并且平均多个单次测量结果。所得的平均值包含成像光学部件734的基本旋转对称的偏差。成像光学部件734的空间中频偏差很大程度上被平均掉。从单次值中减去该平均值导致了成像光学部件的空间中频偏差的绝对项。这样，空间中频偏差已知并且可在其它测量中加以考虑。关于照明单元712可采用类似的过程。

根据本发明的检验方法的实施例，执行检验测量两次，其中在两次测量之间将波整形元件646旋转180°。这样，一次测量是基于测试下的波整形元件646的衍射结构649上的测量波722的正衍射级（例如+1衍射级）中产生的适配的测量波723。第二次测量是基于测试下的波整形元件646的衍射结构649上的测量波722的负衍射级（例如-1衍射级）中产生的适配的测量波723。

图14示出根据本发明制造的凸反射镜形式的光学元件12的光学表面14a的第一实施例14a的横截面视图。光学表面14a适配于旋转对称非球面形式的非球面目标形状910a。目标形状910a关于旋转对称轴914a旋转对称，该对称轴914a通常也作为用于目标形状910a的最佳拟合球面表面912a的旋转对称轴。目标形状910a与它的最佳拟合球面表面912a具有至少500μm的偏差Δ。这意味着目标形状910a与它的最佳拟合球面表面912a在目标形状910a的至少一个位置处偏差至少500μm。

可通过以下公式表示目标形状910a，本领域技术人员已知该公式为“非球面公式”。

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+{\mathrm{\α}}_1{r}^2+{\mathrm{\α}}_2{r}^4+{\mathrm{\α}}_4{r}^8+{\mathrm{\α}}_5{r}^{10}+{\mathrm{\α}}_6{r}^{12}+{\mathrm{\α}}_8{r}^{14}$

在该等式中，z表示目标形状910a的表面在距离光轴或者对称轴914a的距离r处的z-坐标，c是非球面表面的曲率，k是圆锥（conic）系数，以及α_i是其它系数。通过用于上述等式的以下参数表示目标形状910a的示例实施例。

R=+668.5512mm

c=1/r=1.49577·10^-3mm^-1

k=0

α₁=0

α₂=-2.946315·10^-9mm^-3

α₃=8.333468·10^-14mm^-5

α₄=1.08029510·10^-17mm^-7

非球面表面的另一例子包含于WO 2006/077145A2中，通过引用将该文件合并与此。

图15示出根据图14的光学表面14a与目标形状910a的周界一起的俯视图。图16示出根据本发明制造的光学元件12的光学表面14b的第二实施例。光学表面14b为所谓的“离轴非球面”并被配置为旋转对称非球表面的偏离中心的部分。作为旋转对称非球面表面的例子，为了说明的目的，在图16中描绘了图15的光学表面14a的周界。光学表面14b为光学表面14a的偏离中心的区域。光学表面14b的目标形状（图中未示出）从它的最佳拟合球面表面也偏离至少500μm。

图17示出了根据本发明制造的光学元件12的光学表面的第三实施例14c的横截面图。光学表面14c为所谓的适配于非旋转对称的目标形状910c的自由形状表面。图17还示出目标形状910c的最佳拟合球面表面912c。为了说明的目的，在图中示出了最佳拟合球面表面912c的旋转轴914c。光学表面14c从它的最佳拟合球面表面912具有至少5μm的偏差Δ。

可以通过不同的数学函数表示目标形状910c，例如样条或者以下形式的简单xy-多项式。

$z=\underset{n,m}{\mathrm{\Σ}}{a}_{\mathrm{nm}}{x}^n{y}^m$

其中z是矢高，并且n+m≤10或者≤20。通过本领域技术人员已知的光学设计程序（例如Code V）来支持这种表示。

根据本发明，提供光学元件12，其可为图14至17中所示的任意类型。该光学元件12具有适配于各个非球面目标形状910的光学表面14，从而光学表面的实际形状相对于关于目标形状的变化（根据一个实施例，该变化具有0.015mm至2mm之间的空间波长，根据另一实施例，具有0.015mm至30mm之间的空间波长）被限制到最多100pm RMS，尤其是50pm RMS。

可例如通过根据本发明任意实施例中的测量方法和测量设备制造光学元件12。测量设备被用于在制造光学元件期间确定要进一步处理的光学元件的部分，使得满足以上规格。

如以上所提及的，根据本发明的光学元件12的特征在于其光学表面14的实际形状相对于目标形状910的在以上空间波长范围中的变化被限制到100pm RMS的最大值，尤其是50pm RMS。

如下确定光学表面14的实际形状相对于目标形状910的变化：将实际形状与目标形状的偏差D（x，y）确定为光学表面14上的位置（x，y）的函数。通过执行的傅里叶变换将给定位置（x₀，y₀）处的偏差D（x，y）从空间域变换到频域中，产生函数d（v）（其中v是频率）。

最小空间波长λ_min和最大空间波长λ_max（在根据本发明的一个实施例中，（分别为0.015mm和2mm）被转换成频域中的最大频率v_max和最小频率v_min。随后，确定最大频率v_max和最小频率v_min之间的频率区域中的函数d（v）的最大振幅。此振幅值反映光学表面14的位置（x₀，y₀）处的最大振幅并且因此被称为局部振幅A₁。随后，对光学表面14上的多个位置确定局部振幅A₁。

为了检验根据本发明的光学元件12，通过多个局部振幅A₁的RMS（均方根）值，特别是光学表面上的任意位置处的局部振幅A₁的RMS，确定实际形状14与目标形状910在以上空间波长范围中的长波变化。

通过非限制性的示意实施例描述了本发明。本领域技术人员可以进行改变和修改，而不偏离所附权利要求及其等同体中陈述的本发明的范围。

参考标记列表

10测量设备

12测试物体

14光学表面

16干涉测量装置

18测量波

20光学表面的区域

22定位设备

23框架

24垂直条

26横条

28基座板

30测量头定位装置

32双箭头

34旋转轴

36双箭头

38旋转轴

40双箭头

42第一滑动装置

44双箭头

46第二滑动装置

47双箭头

48物体支撑体

49旋转轴

50激光追踪器

50c激光追踪器

51定位测量系统

52距离测量激光干涉仪

52c距离测量激光干涉仪

54第一倾转轴

56双箭头

58第二倾转轴

60双箭头

62回射器

64激光发射点

64c激光发射点

66平面

68激光光束

68c激光光束

70凸出臂

72处理器

74控制器

76评估装置

110测量设备

122定位设备

124垂直条

125垂直导轨

128基座板

129导轨

134旋转轴

135旋转杆

136双箭头

148物体支撑体

150双箭头

216干涉测量装置

220光纤

222测量光

222a入射测量光

222b反射测量光

224准直器

226分束器

228斐索元件

230斐索表面

232参考光

234抛物面反射镜

235抛物面反射镜的光轴

236第一波前形成表面

238第二波前形成表面

240平面倾转反射镜

242焦点

244探测设备

246距离传感器

248距离测量激光

250分束器

260a，260b，260c  表面点

316干涉测量装置

334a第一抛物面反射镜

334b第二抛物面反射镜

336第一波前形成表面

338第二波前形成表面

342中间焦点

416干涉测量装置

434a第一抛物面反射镜

434b第二抛物面反射镜

436第一波前形成表面

448第二波前形成表面

442焦点

516干涉测量装置

526分束器

534a第一抛物面反射镜

534b第二抛物面反射镜

535抛物面反射镜的光轴

536第一波前形成表面

538第二波前形成表面

542焦点

543小孔

552平面反射镜

610测量设备

616干涉仪

618光源单元

619照明光束

620入射波

621激光器

622激光光束

624聚焦透镜

626空间滤波器

628发散光束

630透镜元件组

632光轴

634分束器

636斐索元件

638斐索表面

640参考波

642平面波前

644适配波

645单光线

646波整形元件

648衍射表面

649衍射波整形元件

650基板

652感光表面

654照相机芯片

656物镜透镜系统

657干涉仪光阑

658照相机

660评估装置

710检验设备

712照明单元

714激光器

716聚焦透镜

718空间滤波器

720准直器

722测量波

723适配测量波

724分束器

726双箭头

728参考波

730准直透镜

732光纤

734放大成像光学部件

736显微物镜

738透镜

740探测器照相机

742探测表面

744评估装置

746双箭头

810检验设备

826双箭头

832角隅棱镜

833准直器

835反射镜板

848框架

850定位设备

852门架

853定位臂

854平台

910目标形状

912最佳拟合球面表面

914旋转对称轴

Claims (24)

1.一种测量测试物体的光学表面的形状的方法，包括：

－提供产生测量波的干涉测量装置，

－在不同测量位置处相对于彼此连贯地布置所述干涉测量装置和所述测试物体，使得所述测量波照明所述光学表面的不同区域，

－在所述不同测量位置处，测量所述测量装置关于所述测试物体的位置坐标，

－通过在每个所述测量位置处使用所述测量装置干涉地测量所述测量波在与所述光学表面的各个区域相互作用之后的波前而获得表面区域测量，以及

－通过基于所述干涉测量装置在每个所述测量位置处的所测量的位置坐标计算地组合所述子表面测量，而确定所述光学表面的实际形状。

2.如权利要求1所述的方法，其中在所述不同测量位置处照明的所述光学表面的区域彼此重叠，并且通过将所述子表面测量的重叠部分彼此配合，以及根据所述测量装置的所测量的位置坐标校正所述配合的结果，从而计算地组合所述子表面测量。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中通过将至少三个距离测量激光干涉仪指引到附接在所述测量装置上的至少一个回射器上，从而在所述测量位置，测量所述干涉测量装置相对于所述测试物体的位置坐标，其中在位置测量期间，所述至少三个激光干涉仪彼此处于固定的位置关系。

4.如权利要求3所述的方法，其中每个所述距离测量激光干涉仪被安装为使得其可关于两个倾转轴倾转。

5.如权利要求3或4所述的方法，其中至少三个回射器附接到所述干涉测量装置上，并且各个测量激光干涉仪被指引向不同的回射器。

6.如权利要求2到5中的任一个所述的方法，其中基于对所述激光干涉仪之间的距离的获知，根据通过所述激光干涉仪测量的距离，确定所述干涉测量装置的所述位置坐标，由位于所述三个距离激光测量干涉仪所构成的平面之外的位置处的第四距离测量激光干涉仪测量所述激光干涉仪之间的距离，所述四个激光干涉仪中的每个测量到所述至少一个回射器的距离，并且根据到所述至少一个回射器的距离数学地确定所述激光干涉仪之间的距离。

7.如前述任一权利要求所述的方法，其中通过坐标测量机，相对于所述光学测试物体定位所述干涉测量装置。

8.如前述任一权利要求所述的方法，其中定位设备相对于所述测试物体定位所述干涉测量装置，以便将所述测量装置布置在所述不同测量位置处，所述定位设备被配置为关于至少一个轴倾转所述测量装置。

9.如前述任一权利要求所述的方法，其中定位设备相对于所述测试物体定位所述干涉测量装置，以便将所述测量装置布置在所述不同测量位置处，并且通过另一测量装置测量所述光学表面的其它特性，也通过所述定位设备相对于所述测试物体定位所述另一测量装置。

10.如前述任一权利要求所述的方法，其中所述干涉测量装置包括配置为记录干涉图的探测设备，和成像光学部件，所述成像光学部件包括至少一个弯曲反射镜，并被配置为将所述光学测试表面成像到所述探测设备上。

11.如权利要求10所述的方法，其中根据权利要求12至15中的任一项配置所述干涉测量装置。

12.一种干涉测量装置，其被配置用于测量测试物体的光学表面的形状，包括：

－探测设备，配置为记录干涉图，以及

－成像光学部件，包括至少一个弯曲反射镜并且被配置为将所述光学表面成像到所述探测设备上。

13.如权利要求12所述的干涉测量装置，其中所述成像光学部件包括两个波前形成表面，所述两个波前形成表面被配置为使得用于将所述光学表面成像到所述探测设备上的光学路径包括位于所述两个波前形成表面之间的焦点。

14.如权利要求12或13所述的干涉测量装置，其中所述成像光学部件包含至少一个抛物面反射镜。

15.如权利要求12至14中的任一项所述的干涉测量装置，其中所述成像光学部件被配置为使得用于将所述光学表面成像到所述探测设备上的所述光学路径入射所述弯曲反射镜两次。

16.一种检验具有波整形表面的波整形元件的方法，所述波整形表面被配置用于将测量波的波前适配于光学测试表面的目标形状，所述检验方法包括：

－通过所述测量波连贯地照射所述波整形表面的不同区域，

－针对每个照射的区域，测量所述测量波在其与所述波整形表面的各个区域相互作用之后的波前，

－计算地组合所测量的波前，

－分析所组合的波前，并由此确定所述波整形表面的波整形效果与目标波整形效果的偏差。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述测量波在其与所述波整形表面的各个区域相互作用之后，穿过放大成像光学部件。

18.如权利要求16或17所述的方法，其中通过测量装置进行测量，所述测量装置包括照明光学部件和探测光学部件，所述照明光学部件将所述测量波指引到所述波整形元件上，所述探测光学部件测量所述测量光波在其与所述波整形表面相互作用之后的波前，并且通过在所不同区域的照射之间相对于彼此位移所述测量设备和所述波整形元件，而由所述测量波连贯地照射所述波整形表面的所述不同区域。

19.如权利要求18所述的方法，其中通过坐标测量机相对于所述波整形元件支撑和定位所述测量设备。

20.如权利要求16到19中的任一项所述的方法，其中所述波整形表面包含衍射结构，并且在所述测量波在各个波整形区域中的衍射结构处衍射之后，在正衍射级和负衍射级中测量所述测量波的波前。

21.一种具有光学表面的光学元件，所述光学表面适配于非球面目标形状，使得所述光学表面的实际形状相对于目标形状的、具有0.015mm至2mm之间的空间波长的变化被限制到最多100pm RMS。

22.如权利要求21所述的光学元件，其中所述光学表面适配于所述非球面目标形状，使得所述光学表面的实际形状相对于目标形状的、具有0.015mm至30mm之间的空间波长的变化被限制为最多100pm RMS。

23.如权利要求21或22所述的光学元件，其中所述光学表面的目标形状是非旋转对称的自由形状表面，并且所述目标形状与其最佳拟合球面形状的偏差是至少5μm。

24.如权利要求21或22所述的光学元件，其中所述光学表面的目标形状是旋转对称非球表面，并且所述目标形状与其最佳拟合球面表面偏差是至少500μm。

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