高精度干涉儀針孔空間濾波器研制

張春雷，向 陽(yáng)，于長(zhǎng)淞

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033）

高精度干涉儀針孔空間濾波器研制

張春雷*，向 陽(yáng)，于長(zhǎng)淞

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033）

應(yīng)用于高重復(fù)頻率、高功率193 nm準(zhǔn)分子激光器會(huì)聚光路中的針孔空間濾波器，除了需要考慮它的材料加工難易、厚度、針孔尺寸等因素外，還需考慮材料抗激光損傷特性。本文利用激光損傷理論中一維熱流模型對(duì)無(wú)限厚和有限厚不同金屬樣品在高峰值功率193 nm準(zhǔn)分子激光器照射下的損傷閾值進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：鋁材料在厚度為1.2μm處比其它金屬的損傷閾值高，可達(dá)1.16×1010W/cm2，且材料易于加工。利用聚焦離子束技術(shù)加工了航空鋁材料樣品，得到了厚度為1.2和1.5μm的針孔空間濾波器樣品。掃描電鏡觀察其具有較好圓度和內(nèi)壁粗糙度，基本滿足剪切干涉儀對(duì)針孔空間濾波器的需求。

干涉儀；針孔空間濾波器；熱流模型；離子束聚焦

1 引 言

點(diǎn)衍射、剪切干涉儀和哈特曼波前傳感器等高精度波前測(cè)量設(shè)備都需要研發(fā)高質(zhì)量針孔空間濾波器以產(chǎn)生理想球面波［1-3］，本文研制的針孔空間濾波器主要應(yīng)用于剪切方法測(cè)量193 nm投影物鏡系統(tǒng)波像差。193 nm光刻是目前主流光刻技術(shù)，光刻廠商考慮到產(chǎn)率與質(zhì)量，所用光刻光源重復(fù)頻率可達(dá)8 kHz，單脈沖能量可達(dá)20 mJ，激光線寬可達(dá)零點(diǎn)幾個(gè)皮米，但是國(guó)內(nèi)無(wú)法采購(gòu)到如此高性能193 nm光源。目前我們使用的193 nm光源重復(fù)頻率可以達(dá)到500 Hz，單脈沖能量為5 mJ，線寬為0.5 pm，平均功率可達(dá)2.5 W，瞬時(shí)峰值功率將會(huì)更高。由于常用的激光光源功率只有幾毫瓦到幾十毫瓦，所以需要對(duì)針孔空間濾波器的抗激光損傷性能作重點(diǎn)評(píng)估。高重復(fù)頻率高峰值功率193 nm準(zhǔn)分子激光器作為檢測(cè)光源時(shí)，針孔空間濾波器應(yīng)用于高精度剪切干涉儀會(huì)受其材料、厚度和針孔尺寸影響。針孔空間濾波器的材料決定其加工難易程度，并且由于它主要應(yīng)用于193 nm波長(zhǎng)高峰值功率激光會(huì)聚光路中，因此，應(yīng)該盡量控制激光會(huì)聚光斑對(duì)針孔空間濾波器造成損傷。實(shí)際加工時(shí)，針孔厚度將影響能夠采用的加工方法與能實(shí)現(xiàn)的加工質(zhì)量，而針孔尺寸會(huì)影響出射波前質(zhì)量。

目前對(duì)微小尺寸針孔進(jìn)行精細(xì)加工的高能粒子流技術(shù)主要有激光束加工［4-8］、聚焦離子束［9-10］加工和電子束加工［11］。其中離子束加工具有可控性強(qiáng)、加工材料種類繁多、加工尺寸精細(xì)等特點(diǎn)，可以用來(lái)加工高質(zhì)量針孔空間濾波器。本文主要利用激光損傷理論中的一維熱流模型分析針孔樣品材料和厚度對(duì)針孔損傷閾值的影響，并由此獲得針孔空間濾波器不受激光輻照損傷所允許的最大光斑直徑尺寸，以此為依據(jù)對(duì)金屬空間濾波器的材料進(jìn)行篩選。該研究為高質(zhì)量針孔空間濾波器的研制奠定了一定理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為投影物鏡系統(tǒng)波像差檢測(cè)裝置光源照明系統(tǒng)研制提供了透過(guò)率與會(huì)聚光斑尺寸等必要設(shè)計(jì)輸入。

2 原 理

如圖1所示，光源發(fā)出光經(jīng)照明光學(xué)系統(tǒng)、待測(cè)光學(xué)系統(tǒng)和光柵后。在CCD探測(cè)器上形成干涉條紋，對(duì)剪切干涉條紋進(jìn)行處理后獲得光學(xué)系統(tǒng)波像差。X方向剪切量為S的波像差與波長(zhǎng)關(guān)系可以表示為：

圖1 剪切法測(cè)量系統(tǒng)波像差原理圖Fig.1 Principle of shearing wavefrontmeasurement

利用剪切干涉方法檢測(cè)投影物鏡系統(tǒng)波像差需要針孔空間濾波器定位裝置改變針孔空間濾波器位置，以實(shí)現(xiàn)投影物鏡不同視場(chǎng)系統(tǒng)波像差檢測(cè)。針孔空間濾波器定位裝置行程需要覆蓋投影物鏡整個(gè)視場(chǎng)，并且具有納米級(jí)定位精度。針孔空間濾波器定位裝置采用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)裝置，平行四邊形柔性結(jié)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)放大結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)具有切向柔性好，軸向剛度大的特點(diǎn)，使其能夠滿足剪切干涉中針孔空間濾波器高精度定位要求［12］。

圖2 針孔空間濾波器定位裝置Fig.2 Position device of the pinhole filter

利用橫向剪切方法測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)波像差原理

金屬對(duì)于193 nm波長(zhǎng)激光屬于強(qiáng)吸收材料，其吸收激光能量后會(huì)使得溫度升高，易導(dǎo)致材料損傷。根據(jù)激光損傷理論，能量吸收導(dǎo)致溫度升高造成金屬材料損傷采用一維熱流計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，光束強(qiáng)度與中心溫度升高量如下式所示［13-14］：

式中，t為輻照時(shí)間，α為吸收，I0為束的強(qiáng)度，k為熱導(dǎo)率，ρ為密度，x為測(cè)量時(shí)的深度（x=0對(duì)應(yīng)表面），其中

3 計(jì)算分析

本文中針孔空間濾波器主要采用金屬材料。對(duì)于常見(jiàn)金屬材料，其主要參數(shù)如表1所示［15］。計(jì)算中按單脈沖作用，作用時(shí)間相當(dāng)于激光脈沖寬度，當(dāng)脈沖寬度不同時(shí)金屬損傷情況也不相同。對(duì)于脈沖寬度分別為10、100和1 000 ns情況下，室溫取300 K，通過(guò)表1中數(shù)據(jù)由式（2）計(jì)算可得到不同金屬厚度4（kt/ρc）1/2的數(shù)值，如圖3所示，從圖中可以看出當(dāng)脈沖寬度為10 ns時(shí)，可作為無(wú)限厚金屬樣品且厚度最小的為鋁，厚度為1.26μm，厚度最大的為銀，其厚度為5.27μm；當(dāng)脈沖寬度為1 000 ns時(shí)，可作為無(wú)限厚金屬樣品且厚度最小的為鋁，厚度為12.65μm，最大的為銀，其厚度為52.74μm。

圖3 不同脈沖寬度下金屬可作無(wú)限厚樣品的厚度Fig.3 Metal thickness which can be dealt as infinite thickness at different pulse widths

表1 金屬特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of differentmetals

投影物鏡系統(tǒng)波像差檢測(cè)光源為ArF窄脈沖、高重復(fù)頻率準(zhǔn)分子激光器，其重復(fù)頻率為500 Hz，譜線寬度為0.5 pm。利用示波器對(duì)使用的193 nm準(zhǔn)分子激光器脈沖寬度進(jìn)行測(cè)量，使用中準(zhǔn)分子激光脈沖寬度取激光脈沖的半高全寬為10 ns如圖4所示。

圖4 193 nm準(zhǔn)分子激光器脈沖寬度測(cè)量Fig.4 Pulse width measurement of 193 nm laser

對(duì)于波長(zhǎng)193 nm的10 ns脈沖寬度準(zhǔn)分子激光，分別在取樣品為無(wú)限厚和有限厚兩種情況下分析金屬樣品能夠承受的輻射照度。對(duì)于無(wú)限厚情況，分析中厚度取值大于金屬可作為無(wú)限厚樣品的最大值5.27μm，按照無(wú)限厚樣品計(jì)算（即x=0）得到各金屬能夠承受的輻射照度，其中鉬最高，為1.07×108W/cm2；金最低，為2.41× 107W/cm2，見(jiàn)圖5。對(duì)于金屬能夠作為有限厚樣品情況，分析中厚度取值小于金屬不可作為無(wú)限厚樣品最小值1.26μm，取為0.2、0.4、0.8和1.2μm，同樣經(jīng)式（2）計(jì)算得到圖6，從圖6可見(jiàn)各金屬厚度有限情況下，隨著厚度增加金屬損傷閾值提高，鋁樣品在厚度1.2μm時(shí)損傷閾值最高，為1.16×1010W/cm。從公式中可以看出鋁在該厚度下?lián)p傷閾值較高，得益于其反射率較高，只有7.5%能量能夠進(jìn)入金屬樣品內(nèi)。

圖5 無(wú)限厚金屬樣品損傷閾值Fig.5 Damage threshold of infinitemetal thickness

圖6 有限厚金屬樣品不同厚度下?lián)p傷閾值Fig.6 Damage threshold at different finitemetal thicknesses

圖7 不同照明系統(tǒng)透過(guò)率下允許光斑尺寸Fig.7 Beam spot allowed at different illuminating optical transmissions

投影物鏡系統(tǒng)波像差檢測(cè)中所使用193 nm準(zhǔn)分子激光器單個(gè)脈沖能量為5 mJ，重復(fù)頻率為500 Hz，所以激光功率為2.5 W，平均功率遠(yuǎn)高于一般功率量級(jí)為毫瓦的激光光源。經(jīng)ArF準(zhǔn)分子激光器出射的光經(jīng)照明光學(xué)系統(tǒng)聚焦在針孔空間濾波器上，為不使會(huì)聚到針孔空間濾波器上的光斑對(duì)其造成損害，需要根據(jù)不同金屬可承受的輻射照度獲得光學(xué)系統(tǒng)允許會(huì)聚的最小光斑，如果光斑尺寸小于此值就會(huì)對(duì)金屬樣品造成損害。對(duì)于不同透過(guò)率照明系統(tǒng)，允許照射最小光斑尺寸可以由獲得，其中Epulse為每個(gè)脈沖能量，τ為照明系統(tǒng)透過(guò)率，I為各金屬損傷閾值，t為照射時(shí)間。在照明系統(tǒng)透過(guò)率分別為20%，40%，60%，80%情況下，不同金屬允許輻照最小光斑尺寸經(jīng)計(jì)算如圖7所示，可見(jiàn)在照明系統(tǒng)透過(guò)率相同情況下，金屬鋁能夠允許的照射光斑尺寸最小，即小光斑照射也不易損壞空間濾波器。

鋁樣品除具有較高損傷閾值外還具有容易加工的特點(diǎn)，利用聚焦離子束（FIB）對(duì)航空鋁材料樣品進(jìn)行加工，目前已經(jīng)加工出符合可見(jiàn)光波像差檢測(cè)要求的針孔直徑為2.5μm的針孔。為進(jìn)行工藝驗(yàn)證，加工出直徑為1.5和1.2μm針孔，若減小相干因子，1.2μm針孔也可應(yīng)用在193 nm投影物鏡系統(tǒng)波像差檢測(cè)中，在掃描電鏡下觀察如圖8所示。從圖中可以觀察出所加工針孔具有很好的圓度，但是針孔周邊有融化堆積物，下一步的工作將繼續(xù)縮小針孔直徑尺寸，對(duì)加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高針孔加工質(zhì)量。

圖8 掃描電鏡下的針孔圖片F(xiàn)ig.8 Pinholes observed by SEM

4 結(jié) 論

本文利用一維熱流模型計(jì)算分析了不同厚度金屬材料空間濾波器在高峰值功率準(zhǔn)分子激光輻射下的損傷閾值，結(jié)果表明：與其它金屬相比，鋁材料在1.2μm處的損傷閾值較高，為1.16× 1010W/cm2。利用聚焦離子束加工技術(shù)對(duì)航空鋁材料進(jìn)行加工，加工出的1.2和1.5μm針孔空間濾波器樣品具有較好圓度和內(nèi)壁粗糙度，基本滿足剪切干涉儀對(duì)針孔空間濾波器需求，下一步將繼續(xù)減小針孔尺寸，改進(jìn)加工工藝，提高針孔加工質(zhì)量。

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Development of pinhole filter in high precision interferometer

ZHANG Chun-lei*，XIANG Yang，YU Chang-song
（State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）
*Corresponding author，E-mail：zcll_1981@126.com

When the pinhole filter is applied in the converging illuminating optics of a 193 nm excimer laser with high repetition rate and high power，the laser-induced damage threshold of the pinhole filter should also be considered besides the fabrication feasibility，thickness and the pinhole size.In this paper，one dimensional conduction mathematic model based on laser-induced damage theory is used to analyse the laser-induced damage threshold for different thicknessmetals illuminated by the high power 193 nm excimer laser.The results indicate that Al has a higher laser-induced damage threshold of1.16×1010W/cm2at1.2μm thickness. Furthermore，the Al also has the advantage of easy fabrication.Ion beam machiningmethod is used to fabricate the pinhole filterswith diameters of1.2μm and 1.5μm and the obtained sample are observed by a scanningmicroscope.It shows that the pinhole filters have good roundnesses and inner roughnesses，which almost satisfies the need of a shearing interferometer.

interferometer；pinhole filter；thermal conduction mathematicmodel；ion beam machining

TH744.3

A

10.3788/CO.20130606.0952

張春雷（1981—），男，吉林長(zhǎng)春人，助理研究員，2005年于北京交通大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2011年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光學(xué)檢測(cè)和成像光譜儀輻射定標(biāo)方面的研究。E-mail：zcll_1981@126.com

于長(zhǎng)淞（1983—），男，黑龍江牡丹江人，助理研究員，2009年于天津大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)檢測(cè)等方面的研究，E-mail：yuchangsong1983 @163.com

向 陽(yáng)（1963—），男，吉林長(zhǎng)春人，研究員，博士生導(dǎo)師，1988年于東北師范大學(xué)獲碩士學(xué)位，1998年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲博士學(xué)位，主要從事光學(xué)檢測(cè)和成像光譜遙感方面的研究。E-mail：xiangy @sklao.an.cn

1674-2915（2013）06-0952-06

2013-09-15；

2013-11-12

國(guó)家重大科技專項(xiàng)（02專項(xiàng)）基金資助項(xiàng)目（No.2009ZX02202-005）