CN103033341A - 大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置 - Google Patents

Abstract

大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置，属于深紫外波段偏振光学薄膜元件光谱检测技术领域，从左到右依次设置ArF激光光源、ArF激光扩束准直镜、可变光阑、起偏器、分束器，分束器将光分为两路光，反射光方向为参比光路，参比光路方向从下至上设置参比光检偏器和参比光探测器，透射光方向为测试光路，测试光路方向从左至右依次设置旋转样品台、测试光检偏器和测试光探测器，在测试光检偏器和测试光探测器之间设置聚焦透镜组，聚焦透镜组由凸凹透镜组组合而成；用于抑制大角度偏振光谱测试时由于光斑扩束导致探测器接收表面的丢光现象。

Description

大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置

技术领域

本发明属于深紫外波段偏振光学薄膜元件光谱检测技术领域，特别涉及一种用于大测试角度(5^o-85^o)下ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置。

技术背景

近年来，193nm ArF准分子激光器作为深紫外光刻机的光源取得了广泛应用。随着光刻技术的发展，193nm光刻机所采用的激光器的功率日益提高，由此对ArF准分子激光器的波长精度、输出效率提出了更高的要求。为了实现高质量的ArF偏振激光输出，激光器腔内需要使用偏振光学元件。激光器腔内的偏振光学元件对于激光输出的功率和偏振度都有重要影响。偏振光学薄膜元件光谱性能的准确表征，对于其光学薄膜元件的膜系设计、工艺优化、加工制备、以及整个ArF准分子激光器的研究都具有重要意义。

目前国际上已经建立的光学薄膜元件偏振特性的测量装置主要是带有偏振光学测量附件的分光光谱仪，现有带偏振光学测量附件的双光路结构分光光谱仪，如美国PE公司的系列分光光谱仪产品, 但是针对ArF激光光学薄膜元件偏振特性测量，上述测量装置有明显的不足之处，分光光谱仪测量装置其偏振特性的测量精度比较有限，且由于工作波长范围很宽，其偏振特性测量波长范围往往不能覆盖到ArF激光的193nm波长。

此类偏振特性测量装置在测量反射光谱时，需要采用专门设计的反射测量附件，受其设计限制测试入射角可调节范围十分有限（<70^o）,不能够满足评价更大入射角时的光学元件的光谱特性，且当进行大入射角度(>15 ^o)光谱测试时，由于光斑扩束现象会导致测试误差明显增大，得到的反射率或透过率光谱测试结果会偏低，无法完成对样品的偏振光谱特性的准确评定。

发明内容

根据ArF激光偏振光学薄膜元件光谱特性精确表征实际需要，并考虑到国际上已经建立的针对ArF激光波长的光学薄膜元件的偏振测量装置的不足，本发明公开了一种用于超大测试角度下(5^o-85^o) ArF激光光学薄膜元件综合偏振测量装置。

本发明的技术方案是：

大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置，从左到右依次设置ArF激光光源、ArF激光扩束准直镜、可变光阑、起偏器、分束器，分束器将光分为两路光，反射光方向为参比光路，参比光路方向从下至上设置参比光检偏器和参比光探测器，透射光方向为测试光路，测试光路方向从左至右依次设置旋转样品台、测试光检偏器和测试光探测器，在测试光检偏器和测试光探测器之间设置聚焦透镜组，聚焦透镜组由凸凹透镜组组合而成，所述激光扩束准直镜和可变光阑设置在第一真空腔体中，起偏器设置在第二真空腔体中，分束器、参比光检偏器、参比光探测器、旋转样品台、测试光检偏器和测试光探测器设置在第三真空腔体中。

本发明的有益效果是：本发明的装置通过嵌入式聚焦透镜组抑制由于光斑扩束导致的丢光现象，对所有偏振光谱(偏振反射率、偏振透射率)、偏振退偏度测量功能都可以实现超大角度范围内5^o~85^o的变角度测试，从而满足更多的实际应用需求；该装置适用于多种非常规类型的光学薄膜元件的偏振光谱测量，包括平面样品、偰角样品、棱镜样品等。

附图说明

图1：大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置的结构示意图。

图2：大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置中聚焦透镜组的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置，该结构设置在真空腔体管路中，真空腔体管路由四个大小不同的矩形真空腔体和连接这些矩形真空腔体之间的圆形管路组成，矩形真空腔体均为径向垂直水平面固定放置在一个金属柜上方。

第一真空腔体1沿水平入射光路方向前后相对开有两个通光口；第二真空腔体2除了沿水平入射光路方向前后相对设有两个通光口，在垂直入射光路方向也设有开口，用于偏振光谱测试时起偏器6在测试光路中的嵌入；第三真空腔体3在沿水平入射光路方向设有前通光口，第三真空腔体3的腔体尾部安装N₂气排气管路，第三真空腔体3轴向上部的密封板上设有开口，利用带有密封胶圈的盖子进行密封，用于取放样品。

第一真空腔体1的前通光口用熔石英或CaF₂窗口密封，ArF激光器发出的光从该腔体的前通光口入射；在第一真空腔体1侧壁安装通入N₂气的连接管路，在后通光口通过一段矩形真空管路与第二真空腔体2的前通光口相连；第二真空腔体2水平入射光路方向的通光口通过一段矩形真空管路与第三真空腔体3的前通光口相连。

第一真空腔体1底板上设置ArF激光扩束准直镜4和可变光阑5，第二真空腔体2底板上设置起偏器6，在起偏器后面是一个分束器7，将入射光分成参比光和测试光两束，消除测试过程中由于光源能量波动带来的误差。第三真空腔体3底板上安装193nm参比光偏振探测装置，其中包括参比光检偏器8和参比光探测器9。第三真空腔体3轴向上部的密封板上有一个大小适度的开口，用于测试样品的取放，利用一个带有密封胶圈的盖子进行密封。第三真空腔体3内部包括旋转样品台10、193nm聚焦透镜组12、测试光检偏器11和测试光探测器13。

旋转样品台10形状为圆形，圆心位于入射光线中心。旋转样品台10的大小可以根据实际测量光学元件的尺寸适当选择，利用通过数控系统控制步进电机驱动使旋转样品台10围绕圆心在水平方向0-360度范围内连续转动，并使旋转样品台10进行垂直基面内的二维定位。样品放置在样品台10上，根据测试需要，样品可以在垂直基面内按软件程序设定进行移动定位。因此，可以对测试样品表面进行直线扫描、矩阵扫描、特殊位置扫描等。在193nm测试光偏振探测装置中，测试光检偏器11和测试光探测器13安装在旋转臂上，可以绕样品台的圆心旋转、旋转角度范围为入射光与旋转样品台10中心连线±90度。在测试光检偏器11与测试光探测器13之间安装可嵌入式的193nm聚焦透镜组12，用于大角度偏振光谱测试时抑制由于光斑扩束导致探测器接收表面的丢光现象。

具体实施例1：大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试：

本发明的ArF激光光学薄膜角度散射测量装置在正式测量之前，为了避免空气中氧气和水蒸汽在低于200nm产生的吸收，在第一真空腔体1的侧壁设置通入N₂气的连接管路处通入高纯N₂气，充满整个腔体管路，并从第三矩形真空腔体3腔体尾部安装的N₂气排气管路，排出N₂气，整个腔体中通入高纯N₂气30分钟以上，直至测试系统的100% 线测量结果完全稳定后，才开始进行样品扫描。

根据光学元件的大小，设定矩形真空腔体1中的可变光阑大小，设定起偏器6偏振态，并据此分别设定矩形真空腔体3中193nm参比光检偏器8状态，以及矩形真空腔体3中193nm测试光检偏器11状态；在样品没有放入旋转样品台10之前，分别记录193nm参比光探测器9的读数和193nm测试光探测器13的读数，并用193nm测试光探测器13的读数除193nm参比光探测器9的读数，得到的数值作为参考百线值；然后将样品放入旋转样品台10，设定所需的样品表面入射角度，并调整旋转样品台10及193nm测试光探测器13至相应位置，分别记录193nm参比光探测器9的读数和193nm测试光探测器13的读数，并用193nm测试光(反射光或透射光)探测器13的读数除193nm参比光探测器9的读数，得到的数值再除前面得到的参考百线值，由此可以确定相应入射角度下，ArF激光光学薄膜元件的偏振光谱测试 (反射率或透过率)。当偏振光谱测试在特殊条件下进行时，如测试光入射角度特别大(15 ^o -85^o)或特殊光学样品元件如偰角、棱镜等时，光斑会产生扩束现象。如图2所示，测试样品为棱镜时，偏振光谱测试装置测试光的初始尺寸约为2mmx5mm的矩形光斑，经过棱镜后的扩束将会使测试光斑横向扩束，光斑尺寸会超过探测器有效感光面积(约8mmx8mm)，造成测试光强的丢失，得到的反射率或透过率光谱测试结果会偏低，无法完成对样品的偏振光谱特性的准确评定。为了确保在该种条件下光谱测试的顺利进行，在测试光检偏器11和测试光探测器13间插入193nm聚焦透镜组12。聚焦透镜组12由工作波长为193nm的凹凸透镜组组合而成，凹凸透镜组的通光孔径为25mm。当光斑经过样品表面后扩束，光斑面积变大，测试光斑首先经过凸透镜进行聚焦，再经凹透镜放大至2mmx5mm后进入测试探测器，有效克服了偏振光谱测试丢光现象。

综上本发明装置满足对各类的样品(平片、偰角、棱镜等)进行大角度范围内(5^o~85^o)的偏振光谱测试需求。

Claims (4)

1.大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置，从左至右依次设置ArF激光光源、ArF激光扩束准直镜（4）、可变光阑（5）、起偏器（6）、分束器（7），分束器（7）将光分为两路光，反射光方向为参比光路，参比光路方向从下至上设置参比光检偏器（8）和参比光探测器（9），透射光方向为测试光路，测试光路方向从左至右依次设置旋转样品台（10）、测试光检偏器（11）和测试光探测器（13），其特征是，在测试光检偏器（11）和测试光探测器（13）之间设置193nm聚焦透镜组（12），193nm聚焦透镜组（12）由凸凹透镜组组合而成，所述激光扩束准直镜（4）和可变光阑（5）设置在第一真空腔体（1）中，起偏器（6）设置在第二真空腔体（2）中，分束器（7）、参比光检偏器（8）、参比光探测器（9）、旋转样品台（10）、测试光检偏器（11）、193nm聚焦透镜组（12）和测试光探测器（13）设置在第三真空腔体（3）中。

2.根据权利要求1所述的大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置，其特征在于，第一真空腔体（1）沿水平入射光路方向前后相对设有两个通光口；第二真空腔体（2）沿水平入射光路方向前后相对设有两个通光口，在垂直入射光路方向设有开口，用于偏振光谱测试时起偏器（6）在测试光路中的嵌入；第三真空腔体（3）在沿水平入射光路方向设有前通光口，第三真空腔体（3）的腔体尾部安装N₂气排气管路，第三真空腔体（3）轴向上部的密封板上设有开口，利用带有密封胶圈的盖子进行密封；第一真空腔体（1）的前通光口用熔石英或CaF₂窗口密封，在其侧壁设置通入N₂气的连接管路，其后通光口通过一段真空管路与第二真空腔体（2）的前通光口相连；第二真空腔体（2）的后通光口通过一段真空管路与第三真空腔体（3）的前通光口相连。

3.根据权利要求1所述的大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置，其特征在于，样品台（10）形状为圆形，圆心位于入射光线中心，通过数控系统控制步进电机驱动使样品台（10）围绕圆心在水平方向0-360度范围内连续转动，并使样品台（10）进行垂直基面内的二维定位。

4.根据权利要求3所述的大测试角度ArF激光偏振光学薄膜元件光谱测试装置，其特征在于，测试光检偏器（11）和测试光探测器（13）设置在旋转臂上，可绕样品台（10）的圆心旋转，旋转角度范围为入射光与旋转样品台（10）中心连线±90度。

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