CN102243137B - 光束整形元件光学性能的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置和检测方法，装置的构成包括可见激光器，在该可见激光器输出激光的方向同光轴地依次设有扩束镜组、分束镜、第一远场成像透镜、可调光阑或CCD图像传感器、第二远场成像透镜和第二能量传感器。本发明适用于任何紫外波段的光束整形元件的光学性能检测，而且具有成本低，使用简便，测量快速的特点。

Description

光束整形元件光学性能的检测装置和检测方法

技术领域

本发明属于微光刻领域，特别是一种用于紫外光刻机照明系统中的光束整形元件光学性能的检测装置和检测方法。

背景技术

在先进光刻机的照明系统中，通常采用光束整形元件实现离轴照明，增强光刻系统分辨率，增大焦深，并改善光刻对比度，从而提高光刻质量。

光刻系统的分辨率是指光刻机能够在硅片面上加工的最小线宽，它同光源的波长成正比，现有光刻机主要采用紫外或深紫外激光器(紫外波段：汞灯i线波长为365nm；深紫外波段：氟化氩ArF激光器波长为193nm、氟化氪KrF激光器波长为248nm。全文中为了简化用“紫外”代替“紫外或深紫外”)作为光源，因为紫外光源波长短，有利于减小特征线宽尺寸，提高器件(如中央处理器CPU、内存等)的集成度。依据上述照明光源的波长选择，照明系统中的光束整形元件也工作在紫外波段。

为了实现精确的离轴照明模式和较高的能量利用率，光束整形元件通常采用衍射光学的方法实现。将光束整形元件安装到照明系统之前，必须对其光学性能进行检测。设计制造的光束整形元件除了实现离轴照明的功能外，还需要具有尽可能高的能量利用率，减小照明模式转换时的能量损失。因此，对于光束整形元件的光学性能检测主要包括远场光强分布和能量利用率的测量。

传统检测方案中，需要使用与光束整形元件相同工作波长的紫外激光器、紫外CCD图像传感器以及紫外能量传感器构建测试系统[参见John E Childers，Tom Baker，Tim Emig，James Carriere，Marc D.Himel，Proc.of SPIE Vol.7430，74300S，2009]。测量时需将光束整形元件的出射光束在远场处(远场成像透镜的焦平面)成像于紫外CCD图像传感器测量远场光强分布，或者会聚到紫外能量传感器中进行能量利用率的测量。上述在先技术的主要缺点是，测试系统需在紫外工作波长下工作，光路调整不方便；测试系统所需的紫外激光器、紫外CCD图像传感器以及紫外能量传感器的价格比较昂贵；紫外激光器工作中使用的含氟混合气体具有较强的腐蚀性和毒性；紫外激光由于不能直接被人眼观察，给系统光路的对准和调试带来不便。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种用于紫外光刻机的光束整形元件的检测装置和检测方法，该装置和方法适用于任何紫外波段的光束整形元件的光学性能检测，而且具有成本低，使用简便，测量快速的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置，特点在于其构成包括可见激光器，在该可见激光器输出激光的方向同光轴地依次设有扩束镜组、分束镜、第一远场成像透镜、可调光阑、第二远场成像透镜和第二能量传感器；

所述的分束镜与所述的光轴成45°设置，在该分束镜的反射光方向设有第一能量传感器；

待测光束整形元件位于所述的第一远场成像透镜的物方焦面，所述的第一远场成像透镜、第二远场成像透镜的焦距均为f，第一远场成像透镜和第二远场成像透镜)之间的距离为2f，所述的第二能量传感器位于所述的第二远场成像透镜的像方焦面；

在所述的第一远场成像透镜和第二远场成像透镜的共焦面设置所述的可调光阑，或设置CCD图像传感器，该CCD图像传感器的感光面的中心具有中心遮拦。

所述的第一远场成像透镜的物方焦面设有供待测光束整形元件设置的调整架。

在所述的第一远场成像透镜和第二远场成像透镜的共焦面位置设有供具有中心遮拦的CCD图像传感器和可调光阑互换的互换机构，当该互换机构换位时，所述的可调光阑和所述的CCD图像传感器换位并且其中心均置于光路中的光轴上。

所述的分束镜为半透半反镜。

一种利用上述光束整形元件的光学性能的检测装置进行检测的方法，包括下列步骤：

1)远场光强分布的检测：

①将所述的CCD图像传感器置于光路中；

②开启可见激光器，调整扩束准直镜组，将可见激光器发出的可见激光束扩束与待测的光束整形元件的通光口径相同，再让被方孔光阑截取的光束通过所述的分束镜，分为反射光束和透射光束，该透射光束照射在待测光束整形元件上，由所述的CCD图像传感器探测，获得远场光强分布尺寸D’；

D′＝2λ′f/d

其中：f为第一远场成像透镜的焦距，d为光束整形元件台阶的横向尺寸，λ’是可见激光波长；

③对应于紫外波长λ的远场光强分布尺寸D＝D′λ/λ′；

2)能量利用率的检测：

①用可见波长为λ′的激光测量零级衍射效率η₀′：

将可调光阑的通光口径调小，仅让中心零级光束通过，用第二能量传感器测量得到零级光强I₀′，用第一能量传感器测量得到入射光强I_in，利用下列公式计算待测光束整形元件的台阶数N；

${{\mathrm{\η}}_0}^{\′}={I_0}^{\′}/I_{\mathrm{in}}={[\frac{1}{N}\·\frac{\sin (\mathrm{\πc}/b)}{\sin (\mathrm{\πc}/\mathrm{bN})}]}^2$

其中：c/b＝λ/λ′，λ是紫外工作波长；

②测量波长λ′下的+1级衍射效率η₁′；

将所述的可调光阑的通光口径调大至等于远场光强分布的尺寸D’，分别用第一能量传感器和第二能量传感器同时记录下输入能量I_in和输出能量总光强I₀₊₁′，利用下列公式计算+1级衍射效率：

η₁′＝(I₀₊₁′-I₀′)/I_in；

③再利用下列公式计算待测光束整形元件在紫外波长λ下的能量利用率η₁：

${{\mathrm{\η}}_1}^{\′}/{\mathrm{\η}}_1={\{\frac{1}{N}\·\frac{\sin \mathrm{\π}(1-c/b)}{\sin [\mathrm{\π}(1-c/b)/N]}\}}^2.$

与在先技术相比，本发明具有下列技术成果：

1、本发明利用可见光对紫外光刻照明系统中光束整形元件的光学性能进行测量，包括远场光强分布和能量利用率，装置中用到的激光器、CCD图像传感器和能量传感器均工作在可见光波段，价格远低于紫外波段的上述设备，且在可见光波段光路调试方便且安全。

2、本发明可以适用于任何紫外波段光束整形器的光学性能检测，而不局限在某一个波长下。而且具有成本低，使用简便，测量快速的特点。

附图说明

图1是仿真结果：同一光束整形元件在两个不同波长下远场光强分布的示意图。

图2是本发明光束整形元件的光学性能检测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1中以紫外光刻机中光束整形元件产生的环形远场光强分布为例。根据仿真的结果，在照射光源波长改变后，远场光强分布发生变化。101为设计的光束整形元件在λ＝248nm时的远场光强分布，该分布为环形照明，外径为D＝20mm，光束整形元件的通光尺寸为10mm×10mm。通过计算机仿真发现当入射光波长变为λ′＝Mλ(M＞1)后，远场光强分布(102)的尺寸扩大至原先的M倍，但形状几乎不变，中心出现较强的光点。

根据弗朗和费衍射定理，如果忽略折射率在不同波长下的变化(通常这种变化较小)，远场光强分布的尺寸D同波长λ成正比[郁道银，谈恒英，工程光学(第二版)，机械工业出版社，2005年，第345页]：

D＝2λf/d

其中：f为远场成像透镜的焦距，d为光束整形元件中台阶的横向尺寸。从(1)式中可以看出当波长变化时，远场分布尺寸D出现同比例变化。

仿真结果和理论分析表明，通过改变激光波长对光束整形元件的光学性能测量是可行的。这是本发明的基本原理。按照本发明方法测量时，需要挡住中心亮斑(该亮斑通常能量较强，会引起CCD饱和和损坏)，然后用CCD图像传感器测量出远场光强分布。最后，按照λ′/λ的比例缩小后，即可以得到紫外工作波长下的远场光强分布，其中λ′是测量用的可见光的波长，λ是紫外工作波长。

测量所述的能量利用率时所用到的计算公式推导过程如下：

光束整形元件通常是衍射光学元件，是由多组台阶状浮雕构成的位相光栅，各级衍射谱的强度分布为[郁道银，谈恒英，工程光学(第二版)，机械工业出版社，2005年，第366页]：

$I_m={\{A_0\frac{\sin (\mathrm{m\π}/N)}{\mathrm{m\π}}\·\frac{\sin \mathrm{\π}(m-D(n-1)/\mathrm{\λ})}{\sin [\mathrm{\π}(m-D(n-1)/\mathrm{\λ})/N]}\}}^2$

其中：A₀为照明光的振幅，m是衍射级次，I_m是m级衍射级次的光强，N代表台阶数，h为最大的台阶高度，λ是入射激光的波长，n是材料在波长λ下的折射率。

该公式表明当入射激光的波长发生变化，各衍射级次的光强会相应地变化。通常光束整形元件按照2π位相差的设计方式，即h＝λ/(n-1)，λ是光束整形元件的工作波长，但是实际加工过程中由于存在加工误差使得台阶高度h存在一定的微小偏差Δh。对于光束整形元件来说，被利用的能量主要集中于+1级衍射，即m＝1。

依据上述公式，在工作波长λ下，能量利用率表示式为：

${\mathrm{\η}}_1=I_1/I_{\mathrm{in}}={[\frac{\sin (\mathrm{\π}/N)}{\mathrm{\π}}\·\frac{\sin \mathrm{\πb}}{\sin (\mathrm{\πb}/N)}]}^2$

在检测波长λ′下，能量利用率表达式为：

${{\mathrm{\η}}_1}^{\′}/{I_1}^{\′}/I_{\mathrm{in}}={\{\frac{\sin (\mathrm{\π}/N)}{\mathrm{\π}}\·\frac{\sin \mathrm{\π}(1-c/b+c)}{\sin [\mathrm{\π}(1-c/b+c)/N]}\}}^2$

其中，b＝Δh(n-1)/λ，c＝Δh(n′-1)/λ′。n′为波长λ′时材料的折射率，假定n′≈n，将上述两式相除，并且考虑到加工误差Δh远小于波长λ和λ′，b和c是趋近于零的小量，化简后可用得到相对能量利用率：

${{\mathrm{\η}}_1}^{\′}/{\mathrm{\η}}_1={\{\frac{1}{N}\·\frac{\sin \mathrm{\π}(1-c/b)}{\sin [\mathrm{\π}(1-c/b)/N]}\}}^2$

其中，c/b＝λ/λ′，N是光束整形元件的台阶数。台阶数是光束整形元件中位相0～2π的均分个数。所述的台阶数可以通过零级衍射效率得到，在测量波长λ′下，零级衍射效率为：

${{\mathrm{\η}}_0}^{\′}={I_0}^{\′}/I_{\mathrm{in}}={[\frac{1}{N}\·\frac{\sin (\mathrm{\πc}/b)}{\sin (\mathrm{\πc}/\mathrm{bN})}]}^2.$

图2是本发明光束整形元件的光学性能检测装置示意图。由图可见，本发明用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置的构成包括可见激光器201，在该可见激光器201输出激光的方向同光轴地依次设有扩束镜组202、分束镜203、第一远场成像透镜206、可调光阑208、第二远场成像透镜209和第二能量传感器210；

所述的分束镜203与所述的光轴成45°设置，在该分束镜203的反射光方向设有第一能量传感器204；

待测光束整形元件205位于所述的第一远场成像透镜206的物方焦面，所述的第一远场成像透镜206、第二远场成像透镜209的焦距均为f，第一远场成像透镜206和第二远场成像透镜209之间的距离为2f，所述的第二能量传感器210位于所述的第二远场成像透镜209的像方焦面；

在所述的第一远场成像透镜206和第二远场成像透镜209的共焦面设置所述的可调光阑208，或设置CCD图像传感器207-2，该CCD图像传感器207-2的感光面的中心具有中心遮拦207-1。

所述的第一远场成像透镜206的物方焦面设有供待测光束整形元件205设置的调整架。

在所述的第一远场成像透镜206和第二远场成像透镜209的共焦面位置设有供具有中心遮拦207-1的CCD图像传感器207-2和可调光阑208互换的互换机构，当该互换机构换位时，所述的可调光阑208和所述的CCD图像传感器207-2换位，并且其中心均置于光路中的光轴上。

下面给出一个具体实施例，详细介绍整个检测装置的器件构成、光路结构以及测量方法。

首先，选用可见波长激光器201，例如波长632.8nm的氦氖激光器。其输出光束的直径约为0.5mm，需要在其后放入扩束准直镜组202，将激光扩束到至少等于光束整形元件205的通光口径14.14mm(即)，再用方孔光阑截取10mm×10mm的光束照射在光束整形器205上。分束镜203采用半透半反镜，将一半的激光能量反射到输入端第一能量传感器上204，输入端第一能量传感器204的口径需要大于14.14mm，另一半能量的激光垂直照射在光束整形元件205上。上述光路是共用光路，后续光路分为两种情况：A光路用于测量远场光强分布，B光路用于测量能量利用率，下面分别陈述。

在A光路中采用2-f的光路布置测量光束整形元件的远场光强分布。光束整形元件205位于第一远场成像透镜206的前焦面，CCD图像传感器207-2位于第一远场成像透镜206的后焦面，构成2-f的光路布置。为了确保远场像能够完全被CCD图像传感器207-2接收，第一远场成像透镜206的焦距f应根据CCD图像传感器207-2中CCD的尺寸选取，依据是：

f＜l/2NA

其中：l为CCD的尺寸，NA是光束整形元件205的输出数值孔径。另外，根据衍射定律，NA与光束整形元件205的台阶横向尺寸d和激光波长λ有关，计算公式为：

NA＝λ/d

综合上述两个公式，第一远场成像透镜206的焦距f应满足：

f＜l·d/2λ

在本实例中，CCD尺寸l选取12mm，激光波长为632.8nm，台阶的横向尺寸d为5μm，因此f可以选用40mm。

在图2中，CCD图像传感器207-2的前端靠近CCD的位置应放置中心遮拦207-1以阻挡中心光斑。中心遮拦207-1与CCD图像传感器207-2中成像面积之比值应小于0.05，在本实施例中，选用0.5mm直径的圆形中心遮拦。

光束整形元件的测量过程如下：

①利用所述的置换机构将所述的中心遮拦、CCD图像传感器置于光路中；

②开启可见波长激光器，调整扩束准直镜组，将可见波长激光束扩束到待测的光束整形元件的通光口径14.14mm(即

)，再用方孔光阑截取10mm×10mm方形的光束，通过所述的分束镜203分为反射光束和透射光束，该透射光束照射在待测的光束整形元件205上，由所述的CCD图像传感器207-2探测；

③将测量得到的远场光强分布按照尺寸比例λ′/λ缩小，本实施例该比例为2.55倍，缩小后的光强分布即为紫外工作波长下的光强分布。

图2中B光路用于测量光束整形元件205的能量利用率。在B光路中采用4-f的光路布置，即用第一远场成像透镜206和第二远场成像透镜209放于光路中，将光束整形元件205放于第一远场成像透镜206的前焦面，可变光阑208放在第一远场成像透镜206的后焦面和第二远场成像透镜209的前焦面，第二能量传感器210放于第二远场成像透镜209的后焦面。两块远场成像透镜的焦距f相同，从光束整形元件205到第二能量传感器210的距离为4f，因此称为4-f光路。可变光阑208的位置同A光路中CCD图像传感器207-2的位置相同，第一远场成像透镜206的焦距f也与A光路中的相同。

能量利用率的测量过程如下：

①利用所述的置换机构将所述的可调光阑208置于光路中；

②开启可见波长激光器201，调整扩束准直镜组202，将可见波长激光束扩束到待测的光束整形元件的通光口径14.14mm(即

)，再用方孔光阑截取10mm×10mm的光束，通过所述的分束镜203分为反射光束和透射光束，该透射光束照射在待测光束整形元件205上；

①测量中心零级衍射光的衍射效率：

将可变光阑208开至零级衍射光的尺寸(本实施例为0.3mm)，仅让中心光束通过。经扩束镜组202出射的光束经所述的分束镜203反射的激光束由所述的第一能量传感器204测量入射光束的能量I_in。透过所述的分束镜203的透射光束，照射在光束整形元件205上，再依次经过第一远场成像透镜206，可变光阑208、第二远场成像透镜209后由第二能量传感器210测量中心零级衍射光的能量I₀。中心零级衍射光的衍射效率为：η₀′＝I₀/I_in。

④运用下面的公式计算光束整形元件的台阶数N：

${{\mathrm{\η}}_0}^{\′}={I_0}^{\′}/I_{\mathrm{in}}={[\frac{1}{N}\·\frac{\sin (\mathrm{\πc}/b)}{\sin (\mathrm{\πc}/\mathrm{bN})}]}^2$

其中：c/b＝λ/λ′，λ是紫外工作波长，λ′是测量用的可见光的波长，sin是正弦函数，π是数学常数。在本实施例中λ＝248nm，λ′＝632.8nm，所以c/b＝0.3919。利用上述公式计算台阶数N，台阶数N需为整数，并且通常是2ⁿ，例如2、4、8等。在本实施例中，测量得到η₀′为59.12％，通过公式求得N为8。

⑤在可见光波长下，测量+1级衍射效率即能量利用率：

将可变光阑208打开，使得口径等于远场光强分布的尺寸D。依照所述中心零级衍射光的衍射效率的测量方法，分别用第一能量传感器204和第二能量传感器210同时记录下输入能量I_in和输出能量I₁。可见光波长下的能量利用率η₁′＝(I₁-I₀)/I_in。光束整形元件205通常是利用其+1级的衍射形成远场的光强分布，因此测量+1级衍射效率就可以得到能量利用率η₁′。

⑥运用下述公式计算紫外工作波长下的能量利用率：

${{\mathrm{\η}}_1}^{\′}/{\mathrm{\η}}_1={\{\frac{1}{N}\·\frac{\sin \mathrm{\π}(1-c/b)}{\sin [\mathrm{\π}(1-c/b)/N]}\}}^2$

其中，N是所述光束整形元件的台阶数，c/b＝λ/λ′。在本实施例中，当台阶个数N为8，η₁′/η₁＝0.248。结合所述的步骤⑤测量的可见光波长下的能量利用率η₁′和上述公式，求得光束整形元件在紫外工作波长下的能量利用率η₁。

测试波长的选取应遵循以下原则：测试波长λ′总是大于紫外工作波长λ，且波长比λ′/λ不应太大，最好介于2～4之间。因为通过公式(5)计算当λ′/λ＝4时，η₁′/η₁＝0.09，两波长下的能量利用率相差超过10倍，测量的可靠性接近极限。

与先技术比较，本发明的特点在于：采用可见激光测量紫外光刻机中光束整形元件的光学性能，包括远场光强分布和能量利用率，本发明光束整形元件的光学性能检测装置具有成本低，使用简便，测量快速的特点。

Claims (5)

1.一种用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置，构成包括激光器（201），在该激光器（201）输出激光的方向同光轴地依次设有扩束镜组（202）、分束镜（203）、第一远场成像透镜（206）、可调光阑（208）、第二远场成像透镜（209）和第二能量传感器（210）；

所述的分束镜（203）与所述的光轴成45°设置，在该分束镜（203）的反射光方向设有第一能量传感器（204）；

待测光束整形元件（205）位于所述的第一远场成像透镜（206）的物方焦面，所述的第一远场成像透镜（206）、第二远场成像透镜（209）的焦距均为f，第一远场成像透镜（206）和第二远场成像透镜（209）之间的距离为2f，所述的第二能量传感器（210）位于所述的第二远场成像透镜（209）的像方焦面；

在所述的第一远场成像透镜（206）和第二远场成像透镜（209）的共焦面设置所述的可调光阑（208），或设置CCD图像传感器（207-2），该CCD图像传感器（207-2）的感光面的中心具有中心遮拦（207-1），其特征在于所述的激光器为可见激光器。

2.根据权利要求1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置，其特征在于所述的第一远场成像透镜（206）的物方焦面设有供待测光束整形元件（205）设置的调整架。

3.根据权利要求1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置，其特征是在所述的第一远场成像透镜（206）和第二远场成像透镜（209）的共焦面位置设有供具有中心遮拦（207-1）的CCD图像传感器（207-2）和可调光阑（208）互换的互换机构，当该互换机构换位时，所述的可调光阑（208）和所述的CCD图像传感器（207-2）换位，并且其中心均置于光路中的光轴上。 

4.根据权利要求1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置，其特征在于所述的分束镜(203)为半透半反镜。

5.一种利用权利要求1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置进行检测的方法，其特征在于包括下列步骤：

1）远场光强分布的检测：

①将所述的CCD图像传感器（207-2）置于光路中；

②开启可见激光器(201)，调整扩束准直镜组(202)，将可见激光器(201)发出的可见激光束扩束与待测的光束整形元件(205)的通光口径相同，再让被方孔光阑截取的光束通过所述的分束镜（203），分为反射光束和透射光束，该透射光束照射在待测光束整形元件（205）上，由所述的CCD图像传感器(207-2)探测，获得远场光强分布尺寸D’；

D'=2λ'f/d

其中：f为第一远场成像透镜（206）的焦距，d为光束整形元件（205）台阶的横向尺寸，λ’是可见激光波长；

③对应于紫外波长λ的远场光强分布尺寸D＝D'λ/λ′；

2）能量利用率的检测：

①用可见波长为λ′的激光测量零级衍射效率η₀'：

将可调光阑（208）的通光口径调小，仅让中心零级光束通过，用第二能量传感器（210）测量得到零级光强I₀’，用第一能量传感器（204）测量得到入射光强I_in，利用下列公式计算待测光束整形元件（205）的台阶数N；

其中：c/b＝λ/λ′，λ是紫外工作波长；

②再测量波长λ′下的+1级衍射效率η₁'；

将所述的可调光阑（208）的通光口径调大至等于远场光强分布的尺 寸D’，分别用第一能量传感器（204）和第二能量传感器（210）同时记录下输入能量I_in和输出能量总光强I₀₊₁'，利用下列公式计算+1级衍射效率：

η₁'=(I₀₊₁′-I₀′)/I_in；

③再利用下列公式计算待测光束整形元件（205）在紫外波长λ的能量利用率η₁：

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