CN102288549A - 基于光源光强正弦调制的双折射检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光源光强正弦调制的双折射检测装置和检测方法，光强经过正弦调制后的激光束，通过起偏器、第一光弹调制器、被测物体、第二光弹调制器和检偏器后由光电探测器检测，光电探测器检测的信号经过处理，得到谐波信号，由谐波信号得到被测物体双折射的延迟δ和主轴角度ρ。本发明的测量结果不受直流噪声(直流项，趋势项，非线性放大等)的影响，可以在保证精度的同时，测量低透过率光学材料的双折射。

Description

基于光源光强正弦调制的双折射检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种双折射检测装置，特别是一种基于光源光强正弦调制的双折射检测装置和检测方法。

背景技术

半导体工业对高速微芯片的需求促使光刻技术使用的光束波长越来越短，如今高端光刻使用的波长已经进入深紫外(DUV)波段，达到193nm。在DUV波段可选的光学材料包括熔融石英和CaF₂，前者热膨胀系数小，但透过率相对较低(～80％)，适合作为光刻掩膜基底材料；后者透过率很高，是目前唯一实用的DUV光刻透镜材料，但是CaF₂在DUV波段存在双折射。光学元件中材料的双折射会导致分光、波前扭曲、光束偏振态变化等，从而降低光刻的成像质量，是一项重要的光刻透镜材料质量控制参数。因此Baoliang(Bob)Wang等提出使用双光弹调制器的双折射检测装置，检测DUV波段CaF₂透镜材料的双折射(参见在先技术[1]：“The Exicor DUVbirefringence measurement system and its application to measuringlithography-grade CaF2 lens blanks”，Proc.SPIE 5192，7-18，2003)。该方法从光电探测器得到的光强数据得到直流信号V_DC和谐波信号

其中，ω₁和ω₂是两个光弹调制器的调制频率，两个光弹调制器的峰值延迟量δ₁₀、δ₂₀为2.405rad。根据下列公式

得到R_{o_1}、R_{o_2}和R_{o_3}，其中J₁、J₂分别是一阶和二阶Bessel函数；然后由公式

(a) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left[\frac{R_{o\_2}}{R_{o\_1}}\right],$ 或(b) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\mathrm{ctg}}^{-1}\left[\frac{R_{o\_1}}{R_{o\_2}}\right],$

(c) $\mathrm{\δ}={\tan }^{-1}\left(\sqrt{{\left(\frac{R_{o\_1}}{R_{o\_3}}\right)}^2+{\left(\frac{R_{o\_2}}{R_{o\_3}}\right)}^2}\right),$ 或(d)δ＝cos^-1R_{o_3}，

得到所测物体双折射的延迟δ和主轴角度ρ。

该方法的不足之处是由于公式中存在直流项V_DC，双折射的测量结果尤其是延迟的测量精度受直流噪声(直流项、趋势项、非线性放大等)影响。

发明内容

本发明所要解决上述现有技术的测量精度受直流噪声(直流项、趋势项、非线性放大等)影响的问题，提供一种基于光源光强正弦调制的双折射检测装置和检测方法，该装置的测量不受直流噪声影响，从而获得高精度的双折射检测结果。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光源光强正弦调制的双折射检测装置，包括光源，特点在于其构成包括沿装置系统光轴依次设置的光源，光强正弦调制频率为ω₀的光强调制器及其正弦调制信号发生器，透光轴角度为45°的起偏器，快轴角度为0°、峰值延迟量δ₁₀＝2.405rad、调制频率为ω₁的第一光弹调制器，被测物体，快轴角度为45°、峰值延迟量δ₂₀＝2.405rad、调制频率为ω₂的第二光弹调制器，透光轴角度为0°的检偏器和光电探测器，还有数据处理模块，所述的数据处理模块包括锁相放大器和数据处理程序，该数据处理模块分别与所述的正弦调制信号发生器、第一光弹调制器、第二光弹调制器和光电探测器相连；

所述的光源产生的激光束经过起偏器后成为45°线偏振光，其偏振态被第一光弹调制器调制后通过被测物体，携带被测物体双折射信息的激光束经过第二光弹调制器调制和检偏器检偏后，其光强信号I被光电探测器检测，送所述的数据处理模块进行处理。

利用上述基于光源光强正弦调制的双折射检测装置进行双折射的检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

①在数据处理模块的控制下，所述的正弦调制信号发生器向光强调制器发出调制频率为ω₀的正弦信号对激光束光强进行正弦调制，调制频率为ω₀，满足0

其中：ω₁为第一光弹调制器的调制频率，ω₂为第二光弹调制器的调制频率；

②将待测的物体置于第一光弹调制器和第二光弹调制器之间的光路上，由光电探测器记录的光强信号I，经数据处理模块的处理得到相应的谐波信号

和

③由所述的谐波信号

和

根据公式下列公式计算：

得到R₁、R₂和R₃，其中，J₁、J₂分别是一阶和二阶Bessel函数；

④由R₁、R₂和R₃根据下列公式计算

(a) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left[\frac{R_2}{R_1}\right],$ 或(b) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\mathrm{ctg}}^{-1}\left[\frac{R_1}{R_2}\right],$

(c) $\mathrm{\δ}={\tan }^{-1}\left(\sqrt{{\left(\frac{R_1}{R_3}\right)}^2+{\left(\frac{R_2}{R_3}\right)}^2}\right),$ 或(d)δ＝cos^-1R₃，

得到双折射的延迟δ和主轴角度ρ。

所述的谐波信号

和

由数据处理模块的锁相放大器或波形分析方法得到。

上述步骤如图2的流程图所示。

通过锁相放大器或波形分析得到谐波信号，其中前者适合测量微弱延迟值，后者适合测量大范围的延迟。

所述的双折射检测装置中的光强调制器，可以通过旋转偏振片或旋转变衰减率衰减片或光学斩波器实现。

本发明与在先技术相比，具有以下优点和积极效果：

1.与在先技术[1]相比，本方法完全使用谐波信号而不需要直流信号检测光学材料的双折射参数，从原理上避免了直流噪声(直流项，趋势项，非线性放大等)对检测结果的影响。

2.与在先技术[1]相比，本方法完全使用谐波信号而不需要直流信号检测光学材料的双折射参数，利用锁相放大器对弱信号的检测优势，即使光学材料的透过率很低，透过光强很小，对所需检测的谐波信号，依然可以获得足够高的信噪比，从而精确地检测低透过率光学材料的双折射参数。

附图说明

图1是本发明的双折射检测装置的结构示意图。

图2是本发明的双折射检测装置的检测流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明的双折射检测装置的结构示意图。由图可见本发明基于光源光强正弦调制的双折射检测装置，其构成包括沿装置系统光轴依次设置的光源1、光强正弦调制频率为ω₀的光强调制器2及其正弦调制信号发生器10，透光轴角度为45°的起偏器3，快轴角度为0°、峰值延迟量δ₁₀＝2.405rad、调制频率为ω₁的第一光弹调制器4，被测物体5，快轴角度为45°、峰值延迟量δ₂₀＝2.405rad、调制频率为ω₂的第二光弹调制器6，透光轴角度为0°的检偏器7和光电探测器8，还有数据处理模块9，该数据处理模块9包括锁相放大器和数据处理程序，该数据处理模块9分别与所述的正弦调制信号发生器10、第一光弹调制器4、第二光弹调制器6和光电探测器8相连；

所述的光源1发出的激光束经光强调制器2正弦调制后经过起偏器3后成为45°线偏振光，其偏振态被第一光弹调制器4调制后通过被测物体5，携带被测物体5双折射信息的激光束经过第二光弹调制器6调制和检偏器7检偏后，其光强信号I被光电探测器8检测，送所述的数据处理模块9进行处理。

利用上述的基于光源光强正弦调制的双折射检测装置进行双折射的检测方法，其特点在于，包括下列步骤：

①在数据处理模块9的控制下，所述的正弦调制信号发生器10向光强调制器2发出调制频率为ω₀的正弦信号对激光束光强进行正弦调制，调制频率为ω₀，满足0

其中：ω₁为第一光弹调制器4的调制频率，ω₂为第二光弹调制器6的调制频率；

②将待测的物体置于第一光弹调制器4和第二光弹调制器6之间的光路上，由光电探测器8记录的光强信号I，经数据处理模块9的处理得到相应的谐波信号

和

③由所述的谐波信号

和

根据公式下列公式计算：

得到R₁、R₂和R₃，其中，J₁、J₂分别是一阶和二阶Bessel函数；

④由R₁、R₂和R₃根据下列公式计算

(a) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left[\frac{R_2}{R_1}\right],$ 或(b) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\mathrm{ctg}}^{-1}\left[\frac{R_1}{R_2}\right],$

(c) $\mathrm{\δ}={\tan }^{-1}\left(\sqrt{{\left(\frac{R_1}{R_3}\right)}^2+{\left(\frac{R_2}{R_3}\right)}^2}\right),$ 或(d)δ＝cos^-1R₃，

其中，光强调制器2由旋转起偏器构成，调制频率要求满足

在本实施例中取ω₀＝3kHz；数据处理模块9内主要包括锁相放大器和相应的数据处理程序。第一光弹调制器4、所述的第二光弹调制器6和正弦调制信号发生器10的调制频率ω₁、ω₂和ω₀输入锁相放大器作为参考信号频率。光电探测器8的光强信号I可表示为：

$I=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}[b+a\sin \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)]\{1+{\cos \mathrm{\δ}}_1{\cos \mathrm{\δ}}_2\sin 4{\mathrm{\ρ}\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)+{\sin \mathrm{\δ}}_1{\sin \mathrm{\δ}}_2\cos \mathrm{\δ}$

$+{\cos \mathrm{\δ}}_1{\sin \mathrm{\δ}}_2\cos 2\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\δ}+{\sin \mathrm{\δ}}_1{\cos \mathrm{\δ}}_2\sin 2\mathrm{\ρ}\sin \mathrm{\δ}\}$

其中：

δ₁＝δ₁₀sin(ω₁t)，δ₂＝δ₂₀sin(ω₂t)，I₀是初始光强，K为总的透过率。

利用锁相放大器，可以得到光强信号I在3kHz，113kHz，163kHz和173kHz处的频谱强度V_3kHz、V_113kHz、V_163kHz和V_173kHz。由下列公式表示：

$\frac{V_{163\mathrm{kHz}}}{V_{3\mathrm{kHz}}}\frac{1}{2J_2\left(2.508\right)J_1\left(2.508\right)}=R_1,$

$\frac{V_{173\mathrm{kHz}}}{V_{3\mathrm{kHz}}}\frac{1}{{2J}_2\left(2.508\right)J_1\left(2.508\right)}=R_2,$

$\frac{V_{113\mathrm{kHz}}}{V_{3\mathrm{kHz}}}\frac{1}{{2J}_1\left(2.508\right)J_1\left(2.508\right)}=R_3$

得到R₁、R₂和R₃，其中J₁、J₂分别是一阶和二阶Bessel函数；然后山下列公式计算

(a) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left[\frac{R_2}{R_1}\right],$ 或(b) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\mathrm{ctg}}^{-1}\left[\frac{R_1}{R_2}\right],$

(c) $\mathrm{\δ}={\tan }^{-1}\left(\sqrt{{\left(\frac{R_1}{R_3}\right)}^2+{\left(\frac{R_2}{R_3}\right)}^2}\right),$ 或(d)δ＝cos^-1R₃，

得到双折射的延迟δ和主轴角度ρ。

模拟实验中，假设光学系统内部没有误差，只考虑输出光电转换非线性放大，仪器漂移的直流项和趋势项以及仪器随机噪音的影响，

I(t)=a₀+a₁I+a₂I²+a₃I³+...+a_nIⁿ+b₁t+b₂t²+...+b_mt^m+R_noise，

其中b₁t+b₂t²+...十b_mt^m是趋势项，是仪器漂移随时变化的高阶项；a₀是直流项，是仪器漂移随时变化的零阶项；a₁I是线性放大项；a₂I²+a₃I³+...+a_nIⁿ是非线性放大项；R_noise是随机噪音项。模拟实验中输出电路线性放大率为1.5，非线性放大的2阶和3阶非线性系数为0.2和0.1，直流漂移为0.1，趋势项的2阶和3阶非线性项为0.03和0.01，随机噪音最大值为0.1，被测物品双折射延迟δ＝π/3和主轴角度ρ＝19°，得到月R₂与真实值的误差为2.09％，小于无光强调制的误差(25.56％)。说明本发明的检测装置不受直流噪声(直流项，趋势项，非线性放大等)的影响，可以在保证精度的同时测量低透过率光学材料的双折射参数。

Claims (3)

1.一种基于光源光强正弦调制的双折射检测装置，包括光源(1)，特征在于其构成包括沿装置系统光轴依次设置的光源(1)，光强正弦调制频率为ω₀的光强调制器(2)及其正弦调制信号发生器(10)，透光轴角度为45°的起偏器(3)，快轴角度为0°、峰值延迟量δ₁₀＝2.405rad、调制频率为ω₁的第一光弹调制器(4)，被测物体(5)，快轴角度为45°、峰值延迟量δ₂₀＝2.405rad、调制频率为ω₂的第二光弹调制器(6)，透光轴角度为0°的检偏器(7)和光电探测器(8)，还有数据处理模块(9)，所述的数据处理模块(9)包括锁相放大器和数据处理程序，该数据处理模块(9)分别与所述的正弦调制信号发生器(10)、第一光弹调制器(4)、第二光弹调制器(6)和光电探测器(8)相连；

所述的光源(1)产生的激光束经过起偏器(3)后成为45°线偏振光，其偏振态被第一光弹调制器(4)调制后通过被测物体(5)，携带被测物体(5)双折射信息的激光束经过第二光弹调制器(6)调制和检偏器(7)检偏后，其光强信号I被光电探测器(8)检测，送所述的数据处理模块(9)进行处理。

2.利用权利要求1所述的基于光源光强正弦调制的双折射检测装置进行双折射的检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

①在数据处理模块(9)的控制下，所述的正弦调制信号发生器(10)向光强调制器(2)发出频率为ω₀的正弦信号对激光束光强进行正弦调制，调制频率为ω₀，满足

其中：ω₁为第一光弹调制器(4)的调制频率，ω₂为第二光弹调制器(6)的调制频率；

②将待测的物体置于第一光弹调制器(4)和第二光弹调制器(6)之间的光路上，由光电探测器(8)记录的光强信号I，经数据处理模块(9)的处理得到相应的谐波信号

和

③由所述的谐波信号

和

根据公式下列公式计算：

得到R₁、R₂和R₃，其中，J₁、J₂分别是一阶和二阶Bessel函数；

④由R₁、R₂和R₃根据下列公式计算

(a) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left[\frac{R_2}{R_1}\right],$ 或(b) $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\mathrm{ctg}}^{-1}\left[\frac{R_1}{R_2}\right],$

(c) $\mathrm{\δ}={\tan }^{-1}\left(\sqrt{{\left(\frac{R_1}{R_3}\right)}^2+{\left(\frac{R_2}{R_3}\right)}^2}\right),$ 或(d)δ＝cos^-1R₃，

得到双折射的延迟δ和主轴角度ρ。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于所述的谐波信号

和

由数据处理模块(9)的锁相放大器或波形分析方法得到。

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