DE19820785A1

DE19820785A1 - Absolute sphericity measurement of aspherical surface for micro-lithography

Info

Publication number: DE19820785A1
Application number: DE1998120785
Authority: DE
Inventors: Johannes Schwider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-10-21

Abstract

Uses two-beam interferometry with accurate phase measurement determining deviations from ideal mathematical form. Two methods are described. One uses a Shack-Hartmann sensor or a Twyman-Green interferometer with two-beams and exact phase measurement. The diffractor (DOE) is computer-driven and non-linear coding with the cats-eye position. The other method described uses stored data

Description

Purpose of the invention

Durch den Übergang zu immer kürzeren Wellenlängen und größeren Feldern in der Mikrolithographie wird es erforderlich in stärkerem Maße auch stark asphärisch deformierte Flächen in das Design aufzunehmen. Da die Herstellung nicht mehr in Flächenberührung erfolgen kann, muß sich die Fertigung in weit höherem Maße auf die Meßtechnik verlassen. Wegen der extremen Genauigkeitsanforderungen sind aber insbesondere Verfahren zur Absolutmessung erforderlich.Through the transition to ever shorter wavelengths and larger fields in the Microlithography is required to a greater extent, even strongly aspherically deformed Include surfaces in the design. As the production no longer comes into contact with the surface can take place, the production must rely to a greater extent on the measuring technology. Because of the extreme accuracy requirements, however, methods for Absolute measurement required.

Aim of the invention

Ziel der Erfindung ist die Angabe eines Quasi-Absolutverfahrens basierend auf der Nutzung von diffraktiven Strahlformungselementen im Objektstrahlengang eines Zweistrahlinterferometers oder im Teststrahlengang eines Shack-Hartmann Sensors und hochgenauen Phasenmessungen bzw. einer geeigneten Kombination solcher Messungen zum Erhalt von Abweichungen von der mathematischen Idealform.The aim of the invention is to specify a quasi-absolute method based on the usage of diffractive beam shaping elements in the object beam path Double-beam interferometer or in the test beam path of a Shack-Hartmann sensor and highly accurate phase measurements or a suitable combination of such measurements for Obtaining deviations from the ideal mathematical form.

State of the art

Bekannt sind Verfahren zur Prüfung von asphärischen Flächen unter Verwendung von Kompensationsoptiken, die die Aufgabe haben, eine asphärisch deformierte Welle aus einer ebenen oder sphärischen Welle derart zu erzeugen, daß von der so geformten Welle die asphärische Fläche überall senkrecht getroffen wird und danach die reflektierte Welle wiederum in eine nahezu ebene oder sphärische Welle zurückverwandelt wird. Die Kompensationsoptik kann entweder ein refraktives Linsensystem bzw. Einzelglied- eine sogenannte "null lens"- oder ein diffraktives Element sein, welches im Computer berechnet und durch lithographische Aufzeichnung erzeugt wird. In beiden Fällen erreicht man zweierlei: 1) wird die Prüflingsfläche in allen Punkten nahezu senkrecht beleuchtet und damit mit gleicher Empfindlichkeit getestet und 2.) wirken sich wegen des cos-Charakters der Justageaberrationen bei kleinen Dejustagen die Justagefehler ungefähr gleich für alle Punkte der Oberfläche aus. In einem begrenzten Umfang hat die Kompensationsoptik neben der korrekten Beleuchtung auch noch die Funktion eines Absolutnormals. Man sieht aber unmittelbar ein, daß ein komplexes optisches Null-System für sich nicht mehr prüfbar ist, da die erzeugte Wellenfront eine phasenkonjugierte Welle zur Prüflingsoberfläche darstellt. Auch der Einsatz von diffraktiven Elementen bringt hier keine absolute Lösung im Sinne der absoluten Flächenprüfung von Sphären, da man sich auf die Absolutgenauigkeit der Lithographie verlassen muß. Für höchste Genauigkeiten ist das aber auch keine schlüssige Lösung, da die Lithographie auch nicht frei von Fehlern ist. Außerdem sind die Interferometerkomponenten auch nicht frei von Flächenabweichungen und Homogenitätsschwankungen, weshalb auch diese Beiträge mit herausgeeicht werden müssen. Zur Klarstellung sei das Verfahren zur Absolutprüfung von Sphären zunächst näher erläutert. Zur Absolutprüfung von sphärischen Flächen und von ganzen Objektiven ist das Verfahren von Jensen und Schwider /1, 2/ bekannt. Dabei wird mit mehreren Prüflingspositionen in einem Interferometerarm gearbeitet oder in abgewandelter Form mit einem Shack-Hartmann Wellenfrontsensor die Wellenaberration über die Winkelaberrationen bestimmt.Methods for testing aspherical surfaces using are known Compensation optics that have the task of creating an aspherically deformed wave from a to produce a flat or spherical wave in such a way that the wave formed by the aspherical surface is hit vertically everywhere and then the reflected wave in turn is converted back into an almost flat or spherical wave. The Compensation optics can either be a refractive lens system or single-element one so-called "null lens" - or a diffractive element, which calculates in the computer and is generated by lithographic recording. In both cases you can achieve two things: 1) The test specimen surface is illuminated almost vertically in all points and thus with tested the same sensitivity and 2.) act because of the cos character of the Adjustment aberrations for small misalignments make the adjustment errors roughly the same for all points the surface. To a limited extent, the compensation optics in addition to the correct lighting also functions as an absolute standard. But you can see immediately that a complex optical zero system can no longer be checked by itself since the generated wavefront represents a phase conjugate wave to the surface of the test object. Also the use of diffractive elements does not bring an absolute solution in the sense of Absolute surface inspection of spheres, since you focus on the absolute accuracy of the Lithography must leave. However, this is not conclusive for the highest accuracy Solution, since the lithography is also not free of errors. Besides, they are Interferometer components also not free from surface deviations and Homogeneity fluctuations, which is why these contributions must also be calibrated. For clarification, the procedure for the absolute inspection of spheres is first explained in more detail. The procedure is for the absolute inspection of spherical surfaces and entire lenses by Jensen and Schwider / 1, 2 / known. With several test item positions in worked with an interferometer arm or in a modified form with a Shack-Hartmann Wavefront sensor determines the wave aberration via the angular aberrations.

Die Prüfanordnung zur Absolutprüfung von sphärischen Flächen bzw. von ganzen Objektiven hat dann das prinzipielle Aussehen wie in Fig. 1a dargestellt. Das Licht z. B. von einem Laser trifft auf einen Strahlteiler und wird zur Beleuchtung des Prüflings auf ein Aufweitungssystem mit anschließendem Strahlformungssystem umgelenkt. Das Strahlformungssystem erzeugt eine angepaßte Kugelwelle, die überall senkrecht auf die Prüflingsoberfläche trifft und dort reflektiert wird und das Gesamtsystem in umgekehrter Richtung passiert und auf dem Rückweg am Teilerwürfel mit einer planen Referenzwelle des Referenzarms zu einem Interferogramm auf einem Detektor überlagert wird. Wahlweise kann aber auch mit einem Shack-Hartmann Sensor gearbeitet werden wie in Patent /3/ und Publikation /4/ nachgelesen werden kann. Die Dimensionierung des Gesamtsystems ist derart ausgeführt, daß die Prüflingsfläche auf das Detektorfeld scharf abgebildet wird. Der Prüfling ist um seine Achse drehbar und längs der optischen Achse verschiebbar angeordnet, damit die nötigen Prüfpositionen eingenommen werden können.The test arrangement for the absolute test of spherical surfaces or of entire lenses then has the basic appearance as shown in Fig. 1a. The light z. B. from a laser strikes a beam splitter and is deflected to illuminate the test object to an expansion system with a subsequent beam shaping system. The beam shaping system generates an adapted spherical wave, which strikes the surface of the test specimen perpendicularly and is reflected there, and passes through the entire system in the opposite direction and, on the way back, is superimposed on the detector cube with a flat reference wave from the reference arm to form an interferogram on a detector. Alternatively, a Shack-Hartmann sensor can also be used, as can be found in patent / 3 / and publication / 4 /. The dimensioning of the overall system is carried out in such a way that the test specimen surface is sharply imaged on the detector field. The test object is rotatable about its axis and slidable along the optical axis so that the necessary test positions can be taken.

Eine Absolutprüfung besteht nun in einer Abfolge von mehreren Wellenfrontmessungen in verschiedenen Positionen des sphärischen Prüflings (s. Fig. 1b). Wenn man die Wellenaberrationen des Referenzarms mit W_r(x,y) und des optischen Systems im Objektarm mit W_s(x,y) bezeichnet und die des Prüflings mit P(x,y), sowie die gemessenen Wellenaberrationen W_i(x,y) mit i=1, 2, 3 dann erhält man schließlich:
An absolute test now consists of a sequence of several wavefront measurements in different positions of the spherical test object (see Fig. 1b). If one designates the wave aberrations of the reference arm with W _r (x, y) and the optical system in the object arm with W _s (x, y) and those of the test object with P (x, y), as well as the measured wave aberrations W _i (x, y) with i = 1, 2, 3 then you finally get:

- Basic position: W 1 (x, y) = W r (x, y) + W s (x, y) + P (x, y)
- 180 degree position: W 2 (x, y) = W r (x, y) + W s (x, y) + P (-x, -y)
- cat's-eye position W 3 (x, y) = W r (x, y) + 1/2 [W s (x, y) + W s (-x, -y)].

Daraus folgen die Abweichungen des Prüflings:
The deviations of the test object follow from this:

2 P(x,y) = W₁(x,y) + W₂(-x,-y) - [W₃(x,y) + W₃(-x,-y).2 P (x, y) = W ₁ (x, y) + W ₂ (-x, -y) - [W ₃ (x, y) + W ₃ (-x, -y).

Das absolute Wissen über die Abweichungen einer Sphäre ermöglicht das Messen eines optischen Systems, indem man die absolut vermessene Sphäre dazu verwendet, um das Interferometer zusammen mit seiner Hilfsoptik zu kalibrieren und danach das Prüflingsobjektiv einbringt und die Gesamtanordnung wiederum mit der bekannten Sphäre eicht.The absolute knowledge of the deviations of a sphere enables one to be measured optical system by using the absolutely measured sphere to do this Calibrate interferometer together with its auxiliary optics and then the Introduces the test object lens and the overall arrangement in turn with the familiar sphere calibrated.

Auch die Hinzunahme von absolut vermessenen Planflächen kann dazu genutzt werden, um ein Objektiv zu vermessen. Letzteres ist besonders dann nötig, wenn das Objektiv auf unendliche Bildweite designed ist.The addition of absolutely measured plan areas can also be used to to measure a lens. The latter is especially necessary when the lens is on infinite image width is designed.

Solution according to the invention

Erfindungsgemäß wird folgendermaßen vorgegangen: Zur Prüfung von Asphären im Auflicht wird z. B. ein Twyman-Green Interferometer (s. Fig. 2) verwendet, bei welchem im Objektarm möglichst direkt vor der zu prüfenden Asphäre ein diffraktives optisches Element (DOE) angeordnet wird, welches einerseits als Strahlformer derart wirkt, daß eine der gebeugten Wellen im Fall perfekter Justage überall senkrecht auf die asphärische Prüflingsoberfläche auftrifft und welches die reflektierte Welle auf dem Rückweg wieder in z. B. eine ebene (oder sphärische) Welle mit kleinen Abweichungen umformt, wobei die letzteren der Asphäre bzw. zum Teil auch dem Justierzustand zuzuordnen sind. Diese Welle läßt sich danach durch Überlagern einer Referenzwelle bezüglich ihrer Phasenverteilung mit den bekannten interferometrischen Methoden vermessen. Wenn das diffraktive Element nun völlig fehlerfrei hergestellt werden könnte, hätte man damit das Problem der Absolutprüfung von Asphären eindeutig gelöst. Bedauerlicherweise gibt es aber weder ideale ebene oder sphärische Grenzflächen und natürlich auch keine idealen diffraktiven Referenzelemente. Es muß also dafür gesorgt werden, daß die noch vorhandenen Restabweichungen des diffraktiven Elements durch Eichung ausgeschaltet werden. Dabei ist sicherlich hilfreich, daß die zu erwartenden Abweichungen klein sind, also höchstens von der Größenordnung einer Wellenlänge, da bekanntlich die lithographischen Methoden an sich schon sehr genau funktionieren müssen und das auch bei großen Durchmessern der Siliziumwafer (heute schon im Bereich von 30 cm Durchmesser). Gerade für diese großen Durchmesser müssen auch Asphären mit starker Asphärizität (Abweichung von einer Referenzkugel in der Ordnung von einigen hundert µm) und Durchmessern von einigen hundert mm im Design zugelassen, hergestellt und mit höchster Genauigkeit vermessen werden.The procedure according to the invention is as follows: To test aspheres in incident light, e.g. B. uses a Twyman-Green interferometer (see FIG. 2), in which a diffractive optical element (DOE) is arranged in the object arm as directly as possible in front of the asphere to be tested, which acts on the one hand as a beam former such that one of the diffracted waves in the In the case of perfect adjustment, the aspherical surface of the test object strikes vertically everywhere and which reflects the reflected wave back into z. B. formed a flat (or spherical) wave with small deviations, the latter of the asphere or in part also to be assigned to the adjustment state. This wave can then be measured by superimposing a reference wave on its phase distribution using the known interferometric methods. If the diffractive element could now be produced completely free of defects, the problem of absolute testing of aspheres would have been clearly solved. Unfortunately, there are no ideal flat or spherical interfaces and, of course, no ideal diffractive reference elements. It must therefore be ensured that the remaining deviations of the diffractive element are eliminated by calibration. It is certainly helpful that the expected deviations are small, i.e. at most of the order of a wavelength, since it is known that the lithographic methods themselves have to work very precisely, even with large diameters of the silicon wafers (today already in the range of 30 cm in diameter ). Especially for these large diameters, aspheres with strong asphericity (deviation from a reference sphere in the order of a few hundred µm) and diameters of a few hundred mm must be approved in the design, manufactured and measured with the highest accuracy.

Die strukturbedingten globalen Restaberrationen eines diffraktiven Elements hängen sehr stark von der maximal vorkommenden Ortsfrequenz der DOE-Struktur ab. Ein minimaler Positionierfehler einer beugenden Struktur von Δp bei einer kleinsten Periode im DOE von p führt zu einer Wellenaberration von
The structure-related global residual aberrations of a diffractive element depend very much on the maximum spatial frequency of the DOE structure. A minimal positioning error of a diffractive structure of Δp with a smallest period in the DOE of p leads to a wave aberration of

ΔW = λΔp/p.ΔW = λΔp / p.

Wenn man nun nur mit einem diffraktiven Einzelelement arbeitet, dann muß dieses Element die gesamte Strahlablenkung, also auch den sphärischen Anteil, durch entsprechend kleine beugende Strukturen bewerkstelligen, weshalb dadurch die erreichbare Genauigkeit erheblich leiden muß. Bekanntlich ist aber gemessen an der sphärischen Grunddeformation die asphärische Deformation relativ bescheiden. Das ist auch der Grund, weshalb man den sphärischen Anteil gern durch sphärische Hilfsoptik erzeugt. Trotzdem ist dann auch in diesem Fall keine Absolutgenauigkeit erreichbar, da viele unterschiedliche Komponenten zum Gesamtfehler beitragen.If you now only work with a diffractive single element, then this element must the entire beam deflection, including the spherical component, by means of correspondingly small ones Diffractive structures accomplish, which is why the achievable accuracy considerably must suffer. As is well known, measured against the spherical basic deformation Aspheric deformation relatively modest. That is also the reason why one spherical portion like generated by spherical auxiliary optics. Nevertheless it is also in In this case, no absolute accuracy can be achieved, since many different components Contribute overall errors.

Geht man nun den alternativen Weg nur einer diffraktiven Komponente, so muß man dafür sorgen, daß 1) die lithographische Genauigkeit möglichst hoch ist, 2) der sphärische Anteil der Wellenfrontkrümmung möglichst mit geeicht werden kann und 3) der asphärische Anteil an der DOE-Struktur möglichst niederfrequent bleibt, damit man bei der vorhandenen lithographischen Genauigkeit die verbleibende asphärische Wellenfrontdeformation möglichst fehlerfrei erhält.If you now take the alternative path of only one diffractive component, you have to do it ensure that 1) the lithographic accuracy is as high as possible, 2) the spherical component the wavefront curvature can be calibrated if possible and 3) the aspherical part remains as low-frequency as possible on the DOE structure so that the existing lithographic accuracy the remaining aspherical wavefront deformation as possible receives error-free.

Hier wird deshalb vorgeschlagen, daß das DOE eine Doppelstruktur erhält gemäß der Formel für die Überlagerung von zwei Wellen für die asphärische on-line Struktur und eine sphärische offset-Struktur, die die Krümmung des sphärischen Anteils der asphärischen on line Struktur mit hinreichender Näherung modelliert:
It is therefore proposed here that the DOE obtains a double structure according to the formula for the superposition of two waves for the aspherical on-line structure and a spherical offset structure that models the curvature of the spherical portion of the aspherical on-line structure with sufficient approximation:

I(x,y) = 1 + α + α cosϕ_s + cosϕ_a
I (x, y) = 1 + α + α cosϕ _s + cosϕ _a

wobei α<1 ein Modulationsfaktor für die sphärische Welle, ϕ_a die Phasenverteilung der asphärischen Welle in der DOE-Ebene (um es nochmals klar herauszustellen: es besteht die Phase ϕ_a aus einem starken sphärischen Anteil Φ_s und einem schwachen Phasenanteil Φ_a) und ϕ_s die Phasenverteilung der sphärischen Hilfswelle plus einem kleinen lateralen Frequenz offset zur sauberen Trennung der asphärischen Wellen von der sphärischen Hilfswelle.where α <1 is a modulation factor for the spherical wave, ϕ _{a is} the phase distribution of the aspherical wave in the DOE plane (to make it clear again: phase ϕ _a consists of a strong spherical component Φ _s and a weak phase component Φ _a ) and ϕ _s the phase distribution of the spherical auxiliary wave plus a small lateral frequency offset for the clean separation of the aspherical waves from the spherical auxiliary wave.

Wegen der relativen Kleinheit des asphärischen Anteils Φ_a an der Gesamtwellenfrontdeformation ϕ_a kann man davon ausgehen, daß bei gleichzeitiger Herstellung der diffraktiven Strukturen die sphärische Welle ungefähr einen Fehler gleicher Größenordnung wie die eigentliche asphärische Welle mit ihrem starken sphärischen Anteil Φ_s aufweist. Bei vorliegender Rotationssymmetrie sind die Krümmungsmittelpunkte für die einzelnen Zonen längs der optischen Achse angeordnet. Es gibt folglich einen kürzesten Krümmungsradius, an dem sich die sphärische Hilfsstruktur orientieren kann, bzw. man kann auch den sphärischen Anteil so wählen, daß der rein asphärische Anteil überall im Feld hinreichend klein bleibt. Die cos-förmige additive Moiréstruktur läßt sich in einem diffraktiven Element nicht so einfach realisieren, wohl aber eine binarisierte Variante, wobei man alle Werte I<1+α durch eine Phase π und alle Werte I≦1+α durch die Phase 0 repräsentieren kann. Das sollte für eine gute Unterdrückung der nullten Beugungsordnung sorgen und bei spatialer Filterung im Interferometer die dadurch zwangsläufig erzeugten höheren Beugungsordnungen hinreichend beseitigen. Das Gleiche sollte auch für alle Differenzfrequenzen gelten, die durch den nichtlinearen Kodierungsvorgang entstehen. Da beide Wellen - die asphärische "Nutzwelle" und die sphärische Hilfswelle - im gleichen Schritt strukturiert werden, werden sich auch die Strukturierungsfehler beiden Wellen in gleicher Weise mitteilen.Because of the relative smallness of the aspherical component Φ _a in the overall wavefront deformation ϕ _a , it can be assumed that if the diffractive structures are produced at the same time, the spherical wave has an error of approximately the same order of magnitude as the actual aspherical wave with its strong spherical component Φ _s . In the case of the present rotational symmetry, the centers of curvature for the individual zones are arranged along the optical axis. There is consequently a shortest radius of curvature by which the spherical auxiliary structure can be oriented, or the spherical component can be selected so that the purely aspherical component remains sufficiently small everywhere in the field. The cos-shaped additive moiré structure is not so easy to implement in a diffractive element, but it can be a binarized variant, whereby all values I <1 + α can be represented by a phase π and all values I ≦ 1 + α by phase 0 . This should ensure good suppression of the zeroth diffraction order and, with spatial filtering in the interferometer, adequately eliminate the higher diffraction orders that are thereby generated. The same should also apply to all difference frequencies that arise from the nonlinear coding process. Since both waves - the aspherical "useful wave" and the spherical auxiliary wave - are structured in the same step, the structuring errors of both waves will be communicated in the same way.

Das eröffnet nun die folgenden Eichmöglichkeiten anhand der sphärischen Hilfswelle, für die es einen Brennpunkt etwas seitlich der optischen Achse gibt. Bringt man in den Brennpunkt einen Planspiegel, dann hat man wie bei der eingangs geschilderten absoluten Sphärenprüfung eine cat's eye Position für das DOE und die gesamte Hilfsoptik des Objektstrahlengangs realisiert. Damit ist es möglich den geraden Anteil der Referenzoptik bestehend aus DOE und Kollimator nebst Teilerfläche zu messen.This now opens the following calibration options based on the spherical auxiliary wave for which there is a focal point slightly to the side of the optical axis. Bring you into focus a plane mirror, like in the absolute sphere test described at the beginning a cat's eye position for the DOE and the entire auxiliary optics of the object beam path realized. This enables the straight portion of the reference optics consisting of DOE and Measure collimator and divider area.

Alternative 1

Das Verfahren arbeitet ähnlich wie die absolute Sphärenprüfung mit 3 Positionen, die wir hier anhand von Fig. 2 verdeutlichen wollen:
The procedure works similarly to the absolute sphere check with 3 positions, which we want to illustrate here with the aid of FIG. 2:

Position 1: Grundposition
W₁(x,y) = W_r(x,y) + W_s(x,y) + A(x,y)
Position 2: 180-Grad Position
W₂(x,y) = W_r(x,y) + W_s(x,y) + A(-x,-y)
Position 3: cat's eye Position
W₃(x,y) = W_r(x,y) + 1/2[W_s'(x,y) + W_s'(-x,-y)].Position 1: basic position
W ₁ (x, y) = W _r (x, y) + W _s (x, y) + A (x, y)
Position 2: 180 degree position
W ₂ (x, y) = W _r (x, y) + W _s (x, y) + A (-x, -y)
Position 3: cat's eye position
W ₃ (x, y) = W _r (x, y) + 1/2 [W _s '(x, y) + W _s ' (-x, -y)].

Unter der Voraussetzung, daß W_s(x,y) = W_s'(x,y) ist, kann man die asphärischen Abweichungen A(x,y) vom synthetischen Master DOE absolut angeben:
Assuming that W _s (x, y) = W _s ' (x, y), the aspherical deviations A (x, y) from the synthetic master DOE can be given absolutely:

2 A(x,y) = W₁(x,y) + W₂(-x,-y) - [W₃(x,y) + W₃(-x,-y)].2 A (x, y) = W ₁ (x, y) + W ₂ (-x, -y) - [W ₃ (x, y) + W ₃ (-x, -y)].

Die einzige Unsicherheit, die dieser Vorgehensweise anhaftet, besteht in einer gewissen Unsicherheit, ob die Bedingung W_s(x,y)=W_s'(x,y) bei Benutzung der sphärischen Hilfswelle, die simultan in das DOE eingeschrieben ist, erfüllt ist. Sicher erfüllt ist dies für die sonstige Hilfsoptik und den DOE-Träger, die ja auch mit einem Fehleranteil vertreten sind. Bleibt die Strukturierungsfrage zu klären. In der beschriebenen Vorgehensweise ist die Hilfswelle der asphärischen Strahlformungswelle möglichst ähnlich zu wählen, d. h. gleicher Krümmungssinn und nahezu gleiche Krümmung.The only uncertainty that is inherent in this procedure is a certain degree of uncertainty as to whether the condition W _s (x, y) = W _s ' (x, y) is fulfilled when using the spherical auxiliary wave that is simultaneously written into the DOE . This is certainly fulfilled for the other auxiliary optics and the DOE carrier, which are also represented with an error component. The structuring question remains to be clarified. In the described procedure, the auxiliary wave of the aspherical beam shaping wave should be selected as similar as possible, ie the same sense of curvature and almost the same curvature.

Bei gleichem Krümmungssinn, d. h. auch gleichen Vorzeichen der aufgezeichneten Phasen der sphärischen resp. asphärischen Welle sollte der Restfehler Δϕ in der Phasenmessung nach der vorgenommenen Eichung von der Größenordnung:
With the same sense of curvature, ie also the same sign of the recorded phases of the spherical or aspherical wave, the residual error Δϕ in the phase measurement after the calibration should be of the order of magnitude:

Δϕ = (∇ϕ_a - ∇ϕ_s)Δ sein,
Δϕ = (∇ϕ _a - ∇ϕ _s ) Δ,

wobei Δ den lokalen Fehlervektor der Strukturierungsmethode darstellt. Die Gradientendifferenz der asphärischen Welle und der sphärischen Welle ist dann lokal auf jeden Fall entsprechend klein auslegbar.where Δ represents the local error vector of the structuring method. The The gradient difference between the aspherical wave and the spherical wave is then local can be interpreted accordingly small in any case.

Der entscheidende Unterschied ist der eigentliche asphärische Anteil der asphärischen Welle, der für sich recht klein ausfällt, da man sich diese Abweichung als Moiré der beiden Substrukturen vorzustellen hat. Man kann abschätzen, daß für die in Frage kommenden asphärischen Abweichungen kleinste Perioden am Rande von einigen Hundert Wellenlängen auftreten. Denkt man sich 1 µm Wellenlänge und geht man von lithographischen globalen Genauigkeiten von 0.1 µm aus, dann sollten sich die asphärischen Anteile mit der nötigen Genauigkeit im DOE verankern lassen. Den hochfrequenten Fehler-Anteil eicht man dann mit der sphärischen Hilfswelle raus. Es werden folglich die örtlich langsam veränderlichen asphärischen Anteile als hinreichend genau strukturiert angenommen.The key difference is the actual aspherical part of the aspherical wave, which turns out to be quite small in itself, since one considers this deviation as the moiré of the two Has to present substructures. One can estimate that for those in question aspherical deviations smallest periods on the edge of a few hundred wavelengths occur. If you think of 1 µm wavelength and you go from lithographic global Accuracies of 0.1 µm, then the aspherical components should match the necessary ones Have accuracy anchored in the DOE. The high-frequency error portion is then calibrated out of the spherical auxiliary wave. As a result, they are slowly changing locally aspherical components assumed to be sufficiently structured.

Alternative 2

Man kann natürlich das Interferometer inklusive das DOE für den Asphärentest mittels einer absolut geprüften Sphäre eichen (s. Fig. 3). Die Sphäre wird dann in den off-axis Strahlengang eingebracht und die Abweichungen W₁(x,y) des Interferometers plus absolute Sphärenfehler im Computer gespeichert. Danach wird die Sphäre herausgenommen und die Asphäre on-axis zum DOE positioniert und die Abweichungen W₂(x,y) der Einstellung mit der Asphäre gemessen und die gespeicherten Daten der Sphärenmessung abgezogen und man erhält:
You can of course calibrate the interferometer including the DOE for the aspherical test using an absolutely tested sphere (see Fig. 3). The sphere is then introduced into the off-axis beam path and the deviations W ₁ (x, y) of the interferometer plus absolute sphere errors are stored in the computer. Then the sphere is removed and the asphere is positioned on-axis to the DOE and the deviations W ₂ (x, y) of the setting are measured with the asphere and the stored data of the sphere measurement is subtracted and one obtains:

A(x,y) = W₂(x,y) - W₁(x,y) + S(x,y)
A (x, y) = W ₂ (x, y) - W ₁ (x, y) + S (x, y)

wobei S(x,y) die absoluten und bekannten Abweichungen des Sphärennormals sind.where S (x, y) are the absolute and known deviations of the spherical normal.

Diese Alternative kommt insbesondere dann in Betracht, wenn man keinen direkten Zugriff auf den sphärischen Fokus hat, wie z. B. im Fall der Prüfung einer konkaven Fläche. This alternative is particularly useful if you do not have direct access has a spherical focus, such as B. in the case of testing a concave surface.

literature

/1/ Jensen, A. E.; J. Opt. Soc. Am. 63 (1973) 1313A; abstract only.
/2/ G. Schulz, J. Schwider; "Interferometric testing of smooth surfaces", Prog. in Optics XIII, E. Wolf, Ed., Elsivier Publisher New York, (1976).
/3/ Schwider, J.; "Absolutprüfung von sphärischen Flächen und Objektiven mit teilkohärenter Laserstrahlung unter Verwendung eines Wellenfrontsensors"; DPat. angem. 28.05.97, Nr. 1 97 22 342.7
/4/ J. Pfund, N. Lindlein, J. Schwider, R. Burow, Th. Blümel, K.-E. Elßner; "Absolute sphericity measurement: a comparative study on the use of interferometry and a Shack-Hartmann sensor" Opt. Lett. 1998 accepted./ 1 / Jensen, AE; J. Opt. Soc. At the. 63 (1973) 1313A; abstract only.
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/ 4 / J. Pfund, N. Lindlein, J. Schwider, R. Burow, Th. Blümel, K.-E. Elßner; "Absolute sphericity measurement: a comparative study on the use of interferometry and a Shack-Hartmann sensor" Opt. Lett. 1998 accepted.

Claims

1. A method for the absolute testing of aspherical surfaces with the aid of computer-generated diffractive elements, including several measurements of the wavefront deformations of stored spherical and aspherical wave fronts with the aid of interferometry or Shack-Hartmann sensor, characterized in that a spherical auxiliary wave is structured into the diffractive optical element , which is coded by the same mean wavefront curvature with the same sense of curvature as the aspherical wave and which can be easily separated by a small lateral focus shift with appropriate filtering from the actual aspherical measuring wave, which is designed so that it hits the aspherical test specimen surface almost perpendicularly everywhere and is reflected from there and is deformed on the way back again by diffraction at the diffractive element either into a flat or spherical wave, which is then with a reference wave to the interior reference, but the spherical auxiliary wave is itself used to calibrate the interference arrangement by implementing several interferometer settings in succession, which include the so-called cat's eye position and various rotational positions of the aspherical test specimen surface or optionally also an absolutely tested spherical auxiliary surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that the aspherical Test surface in a Twyman-Green interferometer the diffractive element is subordinated and in two positions, namely in a basic position and one around 180 Degree measured around the axis of symmetry is measured and the measured data the wavefront deformations are stored in a connected computer and that in a third measurement, the one stored in the same diffractive element spherical auxiliary wave for a cat's eye measurement by introducing a well polished Plane mirror in the slightly off-axis focal plane is executed such that the reflected wave mirrored laterally on the axis of symmetry of the aspherical mask Points in the plane of the diffractive element and the one generated by this element and by filtering separate planar waves to measure straight lines Wavefront deformation of the test arm is used and that from the measured and stored wavefront deformations of the three measurements the aspherical deviations of the device under test can be calculated from its mathematical form, using misalignment terms eliminated by mathematical modeling and the least squares method become.

3. The method according to claim 1, characterized in that the spherical auxiliary wave together with an absolutely tested spherical reference surface for the calibration of the residual errors of the diffractive element and the aspherical test surface now only has to be measured in one position, the spherical calibration values be appropriately taken into account in the calculation.

4. The method according to claim 1-3, characterized in that the diffractive optical Element is inclined slightly to the axis in the interferometer beam path and that this additional inclination is already taken into account in the design of the element and that in diffractive edge area of the element not required for the actual test Auxiliary structures are attached in reflection, the adjustment of the element to the rest Interferometer and in particular to the collimator and reference arm of the interferometer enable high accuracy.

5. The method according to claim 1-4, characterized in that optionally Twyman Green or Fizeau interferometer can be used for aspherical testing and that the Wavefront measurement is carried out using the phase shift technique or related methods.

6. The method according to claim 1-5, characterized in that for the selection of spherical or aspherical wave fronts spatial filtering in the focal plane of the Collimator is used.

7. The method according to claim 1-6, characterized in that coding and balance in the DOE be chosen so that the calibration with the spherical auxiliary wave with sufficient accuracy when using a highly reflective plane mirror for the cat's eye position can be done and that z. B. polarization-optical measures Intensity balance can be used in a Twyman-Green interferometer.

8. The method according to claim 1-7, characterized in that instead of one Interferometer a Shack-Hartmann sensor is used and the necessary modifications when calculating the absolute values from the measured wavefront deformations be made.