本文關(guān)鍵詞：干涉面形絕對(duì)檢測(cè)不確定度評(píng)估方法研究　出處：《中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：以投影光刻物鏡為代表的現(xiàn)代高端光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)將光學(xué)元件干涉面形檢測(cè)推向了“極限”,光學(xué)元件面形質(zhì)量要求達(dá)到均方根值(rms)納米甚至亞納米級(jí)別。這給面形檢測(cè)提出了極大的挑戰(zhàn),使得傳統(tǒng)的檢測(cè)手段已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代高端光學(xué)元件研制的需求,相應(yīng)的面形檢測(cè)結(jié)果不能充分發(fā)揮其指導(dǎo)加工的作用。一個(gè)完整的面形檢測(cè)結(jié)果應(yīng)該包括被測(cè)面形的最佳估計(jì)值和描述該檢測(cè)結(jié)果分散性的測(cè)量不確定度。測(cè)量不確定度評(píng)估方法的研究是干涉面形檢測(cè)中的研究難點(diǎn),是尋求減小不確定度途徑中必須經(jīng)歷且必不可少的一步。絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)將系統(tǒng)誤差(主要指參考面面形誤差)從相對(duì)測(cè)量結(jié)果中分離出來(lái),可突破參考標(biāo)準(zhǔn)固有的精度限制,因此有望實(shí)現(xiàn)最小不確定度的檢測(cè)。但是絕對(duì)檢測(cè)本身的不確定度也必須加以評(píng)估。本論文正是針對(duì)絕對(duì)檢測(cè)結(jié)果的不確定度需要準(zhǔn)確評(píng)估的需求,以探索一種適用于干涉面形絕對(duì)檢測(cè)不確定度評(píng)估的通用方法為主要目的,主要開(kāi)展了以下研究?jī)?nèi)容:1、充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的幾種不確定度評(píng)估方法,對(duì)比兩種適用于面形檢測(cè)的自上而下和自下而上不確定度評(píng)估方法,分析比較其各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍;系統(tǒng)分析幾種常用的干涉面形絕對(duì)檢測(cè)技術(shù),包括三平板法及其擴(kuò)展方法、雙球面法、隨機(jī)球法、平移旋轉(zhuǎn)法和逆向優(yōu)化法,并從測(cè)量裝置、測(cè)量人員、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境四大方面分析各種絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)的不確定度來(lái)源。2、對(duì)絕對(duì)檢測(cè)的模型建立、模型求解、模型誤差傳遞和不確定度評(píng)估這幾個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。使用一個(gè)通用的線(xiàn)性回歸模型來(lái)描述整個(gè)絕對(duì)檢測(cè)過(guò)程,并引入了三種絕對(duì)檢測(cè)模型的求解算法,包括最小二乘法、極大似然估計(jì)法和矩陣迭代法。介紹了兩種絕對(duì)檢測(cè)誤差傳遞和不確定度評(píng)估的方法:基于正態(tài)統(tǒng)計(jì)分布假設(shè)的測(cè)量不確定度評(píng)估方法和基于蒙特卡洛誤差傳遞的不確定度評(píng)估方法。3、文中系統(tǒng)研究了三平板法絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)。提出了一種通用的三平板平面絕對(duì)檢測(cè)方法,即采用通用迭代優(yōu)化算法來(lái)求解三平板模型,該通用迭代算法可以實(shí)現(xiàn)像素空間分辨率的檢測(cè),實(shí)施簡(jiǎn)單、收斂快速且迭代重構(gòu)精度高,同時(shí)不需要太大的存儲(chǔ)空間和運(yùn)算量。設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該算法的有效性。并詳細(xì)分析了三平板測(cè)量過(guò)程中的主要不確定度源。4、研究了一種不確定度評(píng)估的擬蒙特卡洛方法,用于處理小樣本情況下測(cè)量不確定度的準(zhǔn)確評(píng)估,具有不需要對(duì)總體分布做任何假設(shè)的優(yōu)勢(shì)。該方法針對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的面形進(jìn)行評(píng)估,其評(píng)估的面形結(jié)果及其不確定度都用矩陣圖表示,因此評(píng)估結(jié)果更加完整,而不單單是rms值這樣的單值指標(biāo)。該方法是《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》(GUM法)的補(bǔ)充,為GUM法評(píng)估結(jié)果提供了一種驗(yàn)證方法。以通用三平板絕對(duì)檢測(cè)技術(shù)為例,同時(shí)使用GUM法和擬蒙特卡洛法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了不確定度評(píng)估,同時(shí)設(shè)計(jì)了多種交叉對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證不確定度評(píng)估結(jié)果的可靠性。5、系統(tǒng)分析了三平板法絕對(duì)檢測(cè)的誤差分配原則和精度保證措施。針對(duì)立式工況下重力變形問(wèn)題提出了一種基于模型的重力變形補(bǔ)償技術(shù),為零重力變形的提取提供了思路�；谀Ｐ偷闹亓ψ冃窝a(bǔ)償技術(shù)借助于有限元模型和實(shí)測(cè)旋轉(zhuǎn)差分檢測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)迭代優(yōu)化算法來(lái)分離旋轉(zhuǎn)差分檢測(cè)過(guò)程中的調(diào)整誤差,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況下重力變形的準(zhǔn)確提取。并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于模型的重力變形補(bǔ)償方法的有效性。6、提出可以通過(guò)優(yōu)化測(cè)量條件配置使得絕對(duì)檢測(cè)在消除模型誤差的同時(shí)抑制測(cè)量噪聲,從而降低測(cè)量不確定度。仿真分析了單次旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量和多次旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量的優(yōu)化配置問(wèn)題。并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得到單次旋轉(zhuǎn)和多次旋轉(zhuǎn)的獨(dú)立重復(fù)測(cè)量精度分別為0.35 nm rms和0.24 nm rms,驗(yàn)證了多次旋轉(zhuǎn)角度優(yōu)化配置后實(shí)現(xiàn)了測(cè)量不確定度的降低。
[Abstract]:The modern high-end optical system in projection lithography lens have been represented by the optical element surface to interference detection limit, optical component surface quality requirements to the RMS value (RMS) nano or even sub nanometer level. The surface presents a great challenge to the traditional means of detection, detection has been unable to meet the demand for high-end modern optical element is developed, the corresponding surface detection results can not fully play its guiding role. A machining surface integrity test results should include the best estimate of measured surface values and describe the detection results of dispersion measurement uncertainty. Study of measurement uncertainty evaluation method is difficult study on interference surface detection, is seeking to reduce the uncertainty in the way of experience and must be an essential step. The absolute detection system error (mainly refers to the reference surface error) from Isolated relative measurement results, the accuracy limit can break the inherent reference standard, it is expected to achieve the minimum uncertainty of detection. But the absolute detection uncertainty itself must also be evaluated. This paper is the uncertainty of the need to accurately assess the demand for absolute detection results, to explore a suitable intervention absolute flatness detection method of uncertainty evaluation as the main purpose, the main research contents are as following: 1, full investigation and evaluation method of several existing domestic and foreign uncertainty degree evaluation method applicable to the comparison of two kinds of surface shape detection of top-down and bottom-up uncertainty, analyzed and compared their advantages and disadvantages and their application the scope of system analysis; the absolute detection technology of several commonly used interference surface, including three plate method and the expansion method, double sphere method, random sphere, translation and rotation and the reverse. The method, and the measuring device, measuring, measurement method, measurement environment four aspects of absolute detection technology analysis of various sources of uncertainty in.2, established on the absolute detection model of solving the model, the model of error transfer and uncertainty evaluation of several aspects of this system. Using a general linear regression model to describe the absolute detection process, and introduces the algorithm for solving three kinds of absolute detection model, including least squares, maximum likelihood estimation method and matrix iteration method. The transfer and the method of uncertainty evaluation of two kinds of errors: absolute measurement uncertainty evaluation method and uncertainty evaluation method based on Monte Carlo error transfer.3 the measurement of normal statistical distribution based on the assumption, this paper studies three plate method of absolute detection technology. Propose an absolute detection method of a general three plane, i.e. A general iterative optimization algorithm to solve the three plate model, the general iterative algorithm can achieve spatial resolution pixel detection, simple implementation, fast convergence and high precision iterative reconstruction, and does not require storage space and computing quantity is too large. Simulation experiments and field experiments to verify the effectiveness of the algorithm and a detailed analysis of the three. The tablet in the measurement of the main uncertainty sources of.4, a Quasi Monte Carlo method for uncertainty evaluation, for the case of small sample measurement uncertainty to accurately assess the degree, which do not need to make any assumptions on the overall advantages. The distribution of surface shape for each pixel of the methods are evaluated the surface shape of the evaluation results and uncertainty with matrix diagram, so the evaluation results are more complete, not just the RMS value of this single value index. This method is the evaluation of uncertainty in measurement. With said > (GUM) supplement provides a verification method for the evaluation result of GUM method. In general three tablet absolute detection technology as an example, using GUM method and Quasi Monte Carlo method on the measurement results of uncertainty evaluation, and designed a variety of cross contrast experiments to verify the reliability of.5 uncertainty the evaluation results, the error distribution principle and means to guarantee the accuracy of a systematic analysis of the three plate method of absolute measurement. Aiming at the problem of deformation under the condition of vertical gravity presents a deformation model based on gravity compensation technology, extracting deformation as zero gravity has provided the thinking model of gravity deformation compensation technology. With the help of the finite element model and measured rotating differential detection based on the data, through the iterative optimization algorithm to separate the rotation error adjustment in the process of detection, so as to realize the accurate extraction of the actual conditions of gravity deformation. And design The.6 test is to verify the effectiveness of the compensation method of the deformation model based on gravity, can put forward the measurement of noise suppression in the model error and absolute measurement conditions through the optimization of configuration makes, so as to reduce the measurement uncertainty. Simulation analysis of the optimized configuration of single rotation angle measurement and rotation angle measurement and the design. The independent measurement accuracy of single rotation and multiple rotations were 0.35 nm rms and 0.24 nm rms, have proved the rotation angle optimization is achieved after the measurement uncertainty is reduced.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O436.1

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本文編號(hào)：1432160