亚微米投影光刻物镜MTF的简便测定方法

　　1　概　述

　　光学系统成像质量的评价和检验是应用光学中的一个重要组成部分,而光学传递函数(OTF)又是最有效的评价方法之一,尤其是对调制传递函数(MTF)的测量已广泛应用于控制光学设计过程及光学系统的检验。我所承担的重大科技攻关项目亚微米投影光刻物镜,由于物镜镜片数多,结构复杂,体积大,数值孔径大(NA=0.45),空间截止频率高达2000lp/mm,放置和使用都必须竖立。这类系统MTF在现有传函仪(如美国的2000MARK-Ⅲ型)上就无法测量。而对它们的像质检验目前主要以测量其光学分辨力来实现,而这一指标只不过是MTF的一个侧面,不能全面反映物镜对不同频率结构的图象成像的质量。因此,开展研究这类系统MTF的测定方法是非常必要的。本文研究了如何利用电荷耦合器件(CCD)及数字存储示波器等常规测量器具,来实现对光刻物镜MTF的简便测定。

　　2　测量原理

　　投影光刻物镜是一个把被光源照明的物成像在像面上的线性成像系统,对于这样的系统,像的光强分布函数I(x′,y′)和物的光强分布函数O(x,y)存在着下列关系式:

   （1）

　　其中,S(x,y)——光学系统的点扩散函数;

　　如果物为一维正弦亮度分布,则上述关系式简化为

     （2）

　　S(x)——光学系统的线扩散函数;

　　经傅里叶变换后,可得到物、象光强函数之间的更简单的关系:

     （3）

其中,O(N)表示物面光强分布的各空间频率正弦分量的振幅;

　　I(N)表示像面光强分布的各空间频率正弦分量的振幅;

　　S(N)表示光学系统对各空间频率正弦分量的传递情况,即光学系统的光学传递函数。

　　一般情况下,S(N)为复数,它包含模数和幅角两部分,即

　　其中,模数部分T(N)反映各个频率正弦分量对比的变化,称为调制传递函数(MTF),而幅角θ(N)代表各个频率正弦分量的位移移动,称为相位传递函数(PTF),在评价光学系统成像质量时一般只用MTF。

　　(3)式说明:如果物的光强为正弦分布,经光学系统后,像的光强分布仍为正弦分布,只是这两个正弦分布的对比度不一样了(图1),一般物的光强正弦分布的对比度用表示,而像的光强正弦分布的对比度用表示。于是图1可表示为MI=MOT(N)。则

　　光强正弦分布物目标应提供被测物镜截止频率以内各种空间频率或设计指定的特征空间频率的光强正弦分布物方目标。物目标的对比度一般做成MO=1.0,这样,(5)式将变成:

　　因此,测得像目标对比度就可得到被测光学系统的MTF。