CN102735428B - 衍射光学元件光学性能的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于投影光刻照明系统的衍射光学元件光学性能的测量装置及测量方法，该测量装置包括照明单元、能量监测单元、衍射光学元件固定支架、衍射图样测量单元和能量利用率测量单元。通过测量衍射光学元件产生的衍射图样及各级衍射光斑的能量分布，可准确地评价衍射光学元件的光学性能。本发明不仅可以实现对衍射光学元件产生的远场衍射图样的直接测量，而且可以实现对待测衍射光学元件的能量利用率、零级衍射效率及高阶衍射效率的测量。本测量装置结构简单，操作方便，测量结果准确可靠。

Description

衍射光学元件光学性能的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及属于微光刻领域，特别是一种衍射光学元件(Diffractive OpticalElements)光学性能的测量装置及测量方法，特别是涉及一种用于投影光刻照明系统中产生离轴照明模式的衍射光学元件的光学性能测量装置及测量方法。

背景技术

投影光刻机是当今技术最为密集、精度要求最高的一种大规模集成电路制造装备，获得各种复杂光瞳光强分布与极高光强均匀性的照明技术及接近零像差的光学成像技术是其核心技术。为了满足光刻图形特征尺寸不断缩小和实现特殊图形曝光的要求，人们发展了多种光刻分辨力增强技术，使光刻技术的生命力不断得到延伸。而通过光瞳整形技术获得的离轴照明是光刻机中最常用有效的一种分辨力增强技术。

光刻机需要针对不同的掩模结构采用不同的离轴照明模式，以增强光刻分辨力、增大焦深、提高成像对比度，从而得到更好的成像性能。而这些照明模式就是通过光瞳整形技术来实现的。光瞳整形技术是指在光刻照明系统中采用特殊设计的光学元件调制入射激光束的强度或位相分布，从而在光瞳面上得到所需要的特定光强分布。光瞳整形主要是通过衍射光学元件实现的。随着光刻图形特征尺寸不断减小，对投影光刻机照明系统光瞳光强分布的要求越来越高，对衍射光学元件的光学性能的要求也越来越高，因此对衍射光学元件的光学性能进行准确测量尤其重要。

在先技术“衍射光学元件的光学特性测定方法及衍射光学元件的光学特性测定装置”(CN 101553721B)中，公开了一种衍射光学元件的光学特性测定方法及其测定装置，其原理是通过测量由衍射光学元件形成的衍射光斑的强度分布来评价衍射光学元件的光学特性。该技术通过距离变更部件改变CCD和衍射光学元件的距离实现了光轴方向的强度分布测量和垂直于光轴的面内强度分布测量，但是却无法同时测量衍射光学元件的能量利用率、零级衍射效率、高阶衍射效率等重要指标，因此该技术无法对衍射光学元件的光学性能进行全面的评价。另外，当零级衍射光斑强度过大、衍射图样上强度比值过大时，用图像处理的方法计算的衍射效率不准确，因此需要采取一定的方法直接对能量进行监测。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的不足，提供一种用于投影光刻机照明系统的衍射光学元件光学性能的测量装置及测量方法，从而准确地评价衍射光学元件的光学性能。

在描述本发明的技术解决方案之前，为便于本发明的描述和理解，对本发明涉及的几个基本概念我们定义如下：

1、用于投影光刻机照明系统的衍射光学元件（本发明简称为衍射光学元件）具有多种结构，但总的说来，衍射光学元件产生的远场衍射图样包含三个区域：零级衍射区域、衍射图样区域和高阶衍射区域，如图3所示，图中的小圆和大圆是辅助线，区域6为小圆包含的圆形区域，恰好包含零级衍射光斑，称为零级衍射区域；区域7为小圆与大圆包含的环形区域，恰好包含衍射图样，称为衍射图样区域；区域8为大圆以外的区域，包含高阶衍射图样，称为高阶衍射区域。

2、零级衍射效率定义为零级衍射区域所包含的能量与入射到待测衍射光学元件上面的能量之比。

3、能量利用率定义为衍射图样区域所包含的能量与入射到待测衍射光学元件上面的能量之比。

4、高阶衍射效率定义为高阶衍射区域所包含的能量与入射到待测衍射光学元件上面的能量之比。

本发明的技术解决方案如下：

一种衍射光学元件光学性能的测量装置，特点在于：该装置包括照明单元、能量监测单元、待测衍射光学元件固定支架、衍射图样测量单元和能量利用率测量单元：

所述的照明单元包括准分子激光器、扩束镜和光阑；

所述的能量监测单元由第一分光镜和第一激光功率计组成；

所述的衍射图样测量单元由第二分光镜、第一傅里叶变换透镜、衰减片和CCD图像传感器构成；

所述的能量利用率测量单元包括平面反射镜、第二傅里叶变换透镜、光阑插口和第二激光功率计，所述的光阑插口供光阑设置，使光阑位于所述的第二傅里叶变换透镜的后焦面上；

所述的待测衍射光学元件固定支架是一个供待测衍射光学元件设置固定的支架；

上述元部件的位置关系如下：

沿所述的准分子激光器输出激光的前进方向，依次是所述的扩束镜、光阑、第一分光镜、待测衍射光学元件、第二分光镜、第一傅里叶变换透镜、衰减片和CCD图像传感器，在所述的第一分光镜的反射光方向是所述的第一激光功率计，在所述的第二分光镜的反射光方向是平面反射镜，在该平面反射镜的反射光方向依次是所述的第二傅里叶变换透镜、光阑插口和第二激光功率计；

所述的第二傅里叶变换透镜与所述的第一傅里叶变换透镜相同，所述的第一傅里叶变换透镜的前焦面和第二傅里叶变换透镜的前焦面与所述的待测衍射光学元件共平面，所述的CCD图像传感器放置在所述的第一傅里叶变换透镜的后焦面上；所述的光阑插口置于第二傅里叶变换透镜的后焦面上，所述的第二激光功率计紧靠在所述的光阑插口之后；

所述的第一傅里叶变换透镜的焦距f由CCD图像传感器敏感面的宽度w和待测衍射光学元件远场发射角θ按下式确定：

$f\≤\frac{w}{2\sin \mathrm{\θ}}$

所述的第一傅里叶变换透镜的通光孔径D由待测衍射光学元件的有效区域尺寸L×L及待测衍射光学元件远场发射角θ由下式确定：

$D\≥\sqrt{2}L+2f\sin \mathrm{\θ}.$

所述的光阑直接固定在所述的扩束镜的镜筒上。

利用上述测量装置对衍射光学元件的光学性能的测量方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①把待测衍射光学元件固定在所述的衍射光学元件的固定支架上；

②启动所述的准分子激光器，所述的CCD图像传感器进行图像采集，对图像进行分析就可以得到衍射图样的强度分布，经测量或计算出零级衍射区域的尺寸和衍射图样区域的尺寸；

③测量零级衍射效率：

根据零级衍射区域的尺寸选择光阑的通光孔径的大小使得零级衍射光斑恰好完全通过该光阑的通光孔，插入所述的光阑插口并置于第二傅里叶变换透镜的后焦面上，此时读出所述的第一激光功率计的示数P_in和所述的第二激光功率计的示数P_0out，则零级衍射效率为：

${\mathrm{\η}}_0=\frac{{2P}_{0\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}*T*R}\×100\%$

式中，T为第二傅里叶变换透镜的透过率,R为光线45°入射时平面反射镜的反射率，多次测量取其平均值作为零级衍射效率的最终测量结果；

④测量衍射光斑的能量利用率和高阶衍射效率：

根据衍射图样区域的尺寸选择光阑的通光孔径的大小使所述的衍射图样和零级衍射光斑恰好完全通过该光阑的通光孔，插入所述的光阑插口并置于第二傅里叶变换透镜的后焦面上，使零级衍射光斑和衍射图样恰好完全通过光阑的通光孔，读取所述的第一激光功率计的示数P_in和所述的第二激光功率计的示数P_1out，则零级衍射光斑和待测的衍射图样的总衍射效率η₁为：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{{2P}_{1\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}*T*R}100\%,$

多次测量取其平均值则待测衍射光学元件的能量利用率为：和高阶衍射效率为： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_h=1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_1.$

本装置中所述的所有光学元件均采用熔石英或氟化钙材料制造，这两种材料在深紫外波段的透过率高，适用于193nm、248nm等深紫外波长。

与在先技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明实现了一种用于投影光刻机照明系统的衍射光学元件衍射图样的测量，同时能够实现能量利用率、零级衍射效率、高阶衍射效率等重要参数的测量，测量结果能真实全面地反映衍射光学元件的光学性能。

2、本发明利用激光功率计监测入射光功率和待测衍射图样的光功率，直接计算能量利用率和零级衍射效率，测量结果准确可靠，与利用图像处理求能量利用率和衍射效率的方法相比，避免了由于零级衍射光斑光强过大、衍射图样上强度比值过大引起的测量不准确的问题。

附图说明

图1为本发明衍射光学元件测量装置的光路示意图。

图2为实际测量得到的一种衍射光学元件的衍射图样。

图3为待测衍射光学元件的远场衍射图样衍射区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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。

请参阅图1，图1为本发明衍射光学元件测量装置的光路示意图，由图可见，本发明衍射光学元件光学性能的测量装置，包括照明单元1、能量监测单元2、待测衍射光学元件固定支架3、衍射图样测量单元4和能量利用率测量单元5：

所述的照明单元1包括准分子激光器101、扩束镜102和光阑103；

所述的能量监测单元2由第一分光镜201和第一激光功率计202组成；

所述的衍射图样测量单元4由第二分光镜401、第一傅里叶变换透镜402、衰减片403和CCD图像传感器404构成；

所述的能量利用率测量单元5包括平面反射镜501、第二傅里叶变换透镜502、光阑插口503和第二激光功率计504，所述的光阑插口503供第二光阑设置，使第二光阑位于所述的第二傅里叶变换透镜的后焦面上；

所述的待测衍射光学元件固定支架3是一个供待测衍射光学元件300设置固定的支架；

上述元部件的位置关系如下：

沿所述的准分子激光器101输出激光的前进方向，依次是所述的扩束镜102、第一光阑103、第一分光镜201、待测衍射光学元件300、第二分光镜401、第一傅里叶变换透镜402、衰减片403和CCD图像传感器404，在所述的第一分光镜201的反射光方向是所述的第一激光功率计202，在所述的第二分光镜401的反射光方向是平面反射镜501，在该平面反射镜501的反射光方向依次是所述的第二傅里叶变换透镜502、光阑插口503和第二激光功率计504；

所述的第二傅里叶变换透镜502与所述的第一傅里叶变换透镜402相同，所述的第一傅里叶变换透镜402的前焦面和第二傅里叶变换透镜502的前焦面与所述的待测衍射光学元件300共平面，所述的CCD图像传感器404放置在所述的第一傅里叶变换透镜402的后焦面上；所述的光阑插口503置于第二傅里叶变换透镜502的后焦面上，所述的第二激光功率计504紧靠在所述的第二光阑之后；

所述的第一傅里叶变换透镜402的焦距f由CCD图像传感器404敏感面的宽度w和待测衍射光学元件300远场发射角θ按下式确定：

$f\≤\frac{w}{2\sin \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

所述的第一傅里叶变换透镜的通光孔径D由待测衍射光学元件的有效区域尺寸L×L及待测衍射光学元件远场发射角θ由下式确定：

$D\≥\sqrt{2}L+2f\sin \mathrm{\θ}.---\left(2\right)$

所述的光阑103直接固定在所述的扩束镜102的镜筒上。

利用上述测量装置对衍射光学元件的光学性能的测量方法，该方法包括下列步骤：

①把待测衍射光学元件300固定在所述的衍射光学元件的固定支架3上；

②启动所述的准分子激光器101，所述的CCD图像传感器404进行图像采集，对图像进行分析就可以得到衍射图样的强度分布，经测量或计算出零级衍射区域的尺寸和衍射图样区域的尺寸；

③测量零级衍射效率：

根据零级衍射区域的尺寸选择第二光阑的通光孔径的大小使得零级衍射光斑恰好完全通过该第二光阑的通光孔，插入所述的光阑插口503并置于第二傅里叶变换透镜（502）的后焦面上，此时读出所述的第一激光功率计的示数P_in和所述的第二激光功率计的示数P_0out，则零级衍射效率为：

${\mathrm{\η}}_0=\frac{{2P}_{0\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}*T*R}\×100\%---\left(3\right)$

式中，T为第二傅里叶变换透镜的透过率,R为光线45°入射时平面反射镜（501）的反射率，多次测量取其平均值作为零级衍射效率的最终测量结果；

④测量衍射光斑的能量利用率和高阶衍射效率：

根据衍射图样区域的尺寸选择第二光阑的通光孔径的大小使所述的衍射图样和零级衍射光斑恰好完全通过该光阑的通光孔，插入所述的光阑插口503并置于第二傅里叶变换透镜502的后焦面上，使零级衍射光斑和衍射图样恰好完全通过第二光阑的通光孔，读取所述的第一激光功率计的示数P_in和所述的第二激光功率计的示数P_1out，则零级衍射光斑和待测的衍射图样的总衍射效率η₁为：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{{2P}_{1\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}*T*R}100\%,---\left(4\right)$

多次测量取其平均值则待测衍射光学元件的能量利用率为：和高阶衍射效率为： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_h=1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_1.$

实施例中，所述的扩束镜102的扩束倍率为5~10×。此扩束镜采用负-正透镜结构形式，与正-正透镜结构形式相比，不仅缩短了光路，同时也避免了由于光束聚焦产生能量集中的问题。所述的光阑103直接固定在扩束镜102的镜筒上，孔尺寸比衍射光学元件的有效区域稍小，可以防止有效区域外的能量会聚到CCD图像传感器404上而增加本底噪声。

能量监测单元2由第一分光镜201和第一激光功率计202组成。第一激光功率计202用于监测入射到待测衍射光学元件300上的光功率，测量时可以消除由于光源不稳定引起的测量误差。

待测衍射光学元件300固定在衍射光学元件固定支架3上，其表面与透过第一分光镜201的光束垂直放置。

衰减片403可对能量进行一定程度的衰减，防止CCD图像传感器404饱和，透过率为1‰~1%。

平面反射镜501与第二分光镜401平行放置与光路成45度。

本装置中所述的所有光学元件均采用熔石英或氟化钙材料制造，这两种材料在深紫外波段的透过率高、光学性能好，适用于193nm、248nm等深紫外波长。

具体实施例

请参阅图2，其中图2为利用图1所示的衍射光学元件测量装置测得的一种产生四极照明模式的衍射光学元件的衍射图样，该衍射图样中心有一个零级亮斑，边缘有高阶衍射图样。测量在暗室里进行。

准分子激光器101输出的光的波长为193nm，出射光束尺寸为3mm×3mm；扩束镜102的扩束倍率为10×，入射光束经过扩束镜102扩束后的光束尺寸为30mm×30mm；光阑103通光孔径为24mm×24mm，入射到待测衍射光学元件300上的光束尺寸为24mm×24mm。

第一傅里叶变换透镜402的焦距f和通光孔径D分别由公式（1）和公式（2）确定。CCD图像传感器404敏感面大小为13.3mm×13.3mm，平面反射镜501的反射率为85%，待测衍射光学元件300的远场发散角θ=25mrad，有效区域尺寸L×L为25mm×25mm。由公式（1）可知，傅里叶变换透镜402焦距f’≤266mm，取f’=200mm。由公式（2）可知傅里叶变换透镜402通光孔径D≥46mm,取D=50mm。傅里叶变换透镜402的透过率为80%；衰减片403的透过率为1‰。

测量零级衍射效率时，第二光阑通光孔径为0.3mm，保证零级衍射光斑完全通过，同时读出第一激光功率计202的示数P_in和第二激光功率计504的示数P_out，根据公式（3）多次测量取平均值得到零级衍射效率

测量能量利用率时，第二光阑通光孔径为10mm，此时零级衍射光斑和衍射图样恰好完全通过，同时读出第一激光功率计202的示数P_in和第二激光功率计504的示数P_1out，根据公式（4）多次测量取平均值得到则能量利用率高阶衍射效率

Claims (3)

1.一种衍射光学元件光学性能的测量装置，特征在于：该装置包括照明单元（1）、能量监测单元（2）、待测衍射光学元件固定支架（3）、衍射图样测量单元（4）和能量利用率测量单元（5）：

所述的照明单元（1）包括准分子激光器（101）、扩束镜（102）和第一光阑（103）；

所述的能量监测单元（2）由第一分光镜（201）和第一激光功率计（202）组成；

所述的衍射图样测量单元（4）由第二分光镜（401）、第一傅里叶变换透镜（402）、衰减片（403）和CCD图像传感器（404）构成；

所述的能量利用率测量单元（5）包括平面反射镜（501）、第二傅里叶变换透镜（502）、光阑插口（503）和第二激光功率计（504），所述的光阑插口（503）供第二光阑设置，使第二光阑位于所述的第二傅里叶变换透镜的后焦面上；

所述的待测衍射光学元件固定支架（3）是一个供待测衍射光学元件（300）设置固定的支架；

上述元部件的位置关系如下：

沿所述的准分子激光器（101）输出激光的前进方向，依次是所述的扩束镜（102）、光阑（103）、第一分光镜（201）、待测衍射光学元件（300）、第二分光镜（401）、第一傅里叶变换透镜（402）、衰减片（403）和CCD图像传感器（404），在所述的第一分光镜（201）的反射光方向是所述的第一激光功率计（202），在所述的第二分光镜（401）的反射光方向是平面反射镜（501），在该平面反射镜（501）的反射光方向依次是所述的第二傅里叶变换透镜（502）、第二光阑和第二激光功率计（504）；

所述的第二傅里叶变换透镜（502）与所述的第一傅里叶变换透镜（402）相同，所述的第一傅里叶变换透镜（402）的前焦面和第二傅里叶变换透镜（502）的前焦面与所述的待测衍射光学元件（300）共平面，所述的CCD图像传感器（404）放置在所述的第一傅里叶变换透镜（402）的后焦面上；所述的光阑插口（503）置于第二傅里叶变换透镜（502）的后焦面上，所述的第二激光功率计（504）紧靠在所述的第二光阑之后；

所述的第一傅里叶变换透镜（402）的焦距f由CCD图像传感器（404）敏感面的宽度w和待测衍射光学元件（300）远场发射角θ按下式确定：

$f\≤\frac{w}{2\sin \mathrm{\θ}}$

所述的第一傅里叶变换透镜的通光孔径D由待测衍射光学元件的有效区域尺寸L×L及待测衍射光学元件远场发射角θ由下式确定：

$D\≥\sqrt{2}L+2f\sin \mathrm{\θ}.$

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件光学性能的测量装置，其特征在于所述的第一光阑（103）直接固定在所述的扩束镜（102）的镜筒上。

3.一种利用权利要求1所述的测量装置对衍射光学元件的光学性能进行测量的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①把待测衍射光学元件（300）固定在所述的衍射光学元件的固定支架（3）上；

②启动所述的准分子激光器（101），所述的CCD图像传感器（404）进行图像采集，对图像进行分析就可以得到衍射图样的强度分布，经测量或计算出零级衍射区域的尺寸和衍射图样区域的尺寸；

③测量零级衍射效率：

根据零级衍射区域的尺寸选择第二光阑的通光孔径的大小使得零级衍射光斑恰好完全通过该光阑的通光孔，插入所述的光阑插口（503）并置于第二傅里叶变换透镜（502）的后焦面上，此时读出所述的第一激光功率计的示数P_in和所述的第二激光功率计的示数P_0out，则零级衍射效率为：

${\mathrm{\η}}_0=\frac{{2P}_{0\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}*T*R}\×100\%$

式中，T为第二傅里叶变换透镜的透过率,R为光线45°入射时平面反射镜（501）的反射率，多次测量取其平均值作为零级衍射效率的最终测量结果；

④测量衍射光斑的能量利用率和高阶衍射效率：

根据衍射图样区域的尺寸选择第二光阑的通光孔径的大小使所述的衍射图样和零级衍射光斑恰好完全通过该光阑的通光孔，插入所述的光阑插口（503）并置于第二傅里叶变换透镜（502）的后焦面上，使零级衍射光斑和衍射图样恰好完全通过第二光阑的通光孔，读取所述的第一激光功率计的示数P_in和所述的第二激光功率计的示数P_1out，则零级衍射光斑和待测的衍射图样的总衍射效率η₁为：

${\mathrm{\η}}_1=\frac{{2P}_{1\mathrm{out}}}{P_{\mathrm{in}}*T*R}\×100\%,$

多次测量取其平均值则待测衍射光学元件的能量利用率为：和高阶衍射效率为： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}}_h=1-\stackrel{\‾}{{\mathrm{\η}}_1}.$