CN103345129B - 一种光刻机中照明全系统及各组件透过率的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光刻机中照明全系统及各组件透过率测量方法，测量装置包括光源，能量衰减装置，光路分离元件，待测光学元件，光束接收与探测单元，数据处理和控制系统。实现步骤：用分光镜将准分子激光光源的光束分为测试光路和参考光路；用示波器记录多组测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据，采用分别将相邻两次测量结果进行数据处理，最后将整组数据求和平均的方法求出待测光学组件的透过率。采用本发明方法测量光刻机中照明全系统及各组件的透过率，具有较高的测量精度和测量多功能性。

Description

一种光刻机中照明全系统及各组件透过率的测量方法

技术领域

本发明涉及光刻机中元件检测领域，尤其涉及光刻机中照明系统透过率测方法。

背景技术

光刻机的照明系统是光刻机曝光系统的重要组成部分之一，其功能组件多，结构复杂，其中，光刻机照明系统及其各个部件的透过率对曝光过程中的能量调节有着重要的影响，而曝光面的能量大小直接关系到光刻工艺的质量，其透过率的大小直接关系到芯片上的曝光能量，因此，精确测定光刻机照明系统及其各个部件的透过率对于光刻机的曝光能量控制有着重要的意义。

在验证光刻中光学元件性能的测试过程中，通常采用准分子激光器作为光源，但准分子激光器发出的每个紫外激光脉冲均存在着与期望能量相差±15%甚至更多的能量漂移，而且，衬底处的能量计量变化要求控制在±0.1%或更低，目前，对于紫外光刻系统透过率测流测量方法报道较少，在已有的光学系统透过率测量方案中，传统的光学透过率测试装置采用单通道的方法，这也是大多数光学系统透过率测试所采用的方法，测试过程分为空测和实测，但在这一过程中易受环境和光源波动的影响，使得测量结果误差较大；2006年长春理工大学董起顺等人提出了基于互相关技术的光学系统检测方法，采用双光路的结构，使用了平行光管，分光镜，斩光盘，锁相放大器，积分球，硅光电池等装置，如图1所示，其原理为：斩光盘将平行光管发出的被测的光信号进行调制，并输出一路参考信号，锁相放大器将参考光束与测试光束的光信号与信号发生器输出的响应调制频率的参考信号做互相关运算，去除噪声和干扰信号，提取出相应调制频率的测试光束和参考光束的有用信号再进行运算处理。测试分为空测和实测，最后得到透过率的表达式为：

$T=\frac{V_2}{V_1}\×R---(1-7)$

其中R为空测时标定的分光比，V1为实测时参考光路出射光通量对应的电压值，V2为实测时测试光路出射光通量对应的电压值。

但这种方法需要对光信号进行调制和解调，使得系统结构较为复杂，且在准分子激光光源作为系统光源的情况下，发出的激光光束本身为高频率的脉冲光束，不需要信号发生器，锁相放大器等系列器件对激光光束进行调制和解调，所以在这种情况下，采用相关检测的方法去除噪声的影响变得不可行。

光刻机的照明系统主要由扩束准直系统，光束稳定系统，可变衰减器，衍射光学元件DOE，变焦光组，锥镜组，双排复眼透镜阵列，复眼聚光镜组，耦合物镜组等组成。其中，按照入射光束发散角不同和出射光束的口径大小，可将测试元件分为两类：第一类：扩束准直系统，光束稳定系统，锥镜光组，衍射元件DOE；这类光学元件出射光束的口径和发散角均很小，可用聚光镜会聚光束后，由探测器直接接收。第二类：变焦光组，复眼聚光镜组，耦合物镜组，双排复眼透镜阵列，照明全系统，这类光学元件的出射光束口径较大，出射光束的数值孔径NA也较大，不能用聚光镜直接进行光束收集。本发明的光刻机中光学组件的测试装置主要针对第一类光学元件进行测试，除去分光镜分光比的影响，作为接收光束的两个光束接收单元输出光束的均匀性的差异和探测器自身内部噪声也对测量结果产生了影响，在光源能量波动比较大的情况且测量精度要求较高的情况下，这种影响不可忽略。本发明采用双光路的测量方式消除激光光束由于能量漂移带来的波动性，同时采用多次采样求平均的方法减小测量误差，而且在测试的控制系统中加入了同步电路使得接受曝光信号的光电探测器得以同步工作，提高了测量精度。本发明的测量装置结构比较紧凑，简洁，测试系统也易于操作。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，一种光刻机中照明全系统及各组件透过率的测量方法，可应用在深紫外波段，实现高精度，多功能的检测，由此可大大降低检测成本。

本发明的技术解决方案：一种光刻机中照明全系统及各组件透过率的测量装置，包括：可调准分子激光光源1，能量衰减装置2，分光镜3，待测光学元件4，第一聚光镜组51和第二光镜组52，第一滤光片61和第二滤光片62，第一光束探测单元71和第二光电探测单元72，同步控制电路8，示波器9和计算机10；其中，第一聚光镜组51和第一聚光镜组52，第一滤光片61和第二滤光片62构成光束接收单元，第一光电探测器71和第二光电探测器72构成光束探测单元，同步控制电路8，示波器9和计算机10构成数据处理和控制系统；可调准分子激光光源1发出高斯光束到能量衰减装置2，光束经过衰减装置2后入射到分光镜3上，经分光镜3分成两束光束，分别进入测试光路和参考光路中，测试光路的光信号经第一聚光镜组51和第一滤光片61后进入第一光电探测器71，产生测试光路曝光量成正比的电信号；参考光路的光信号经第二聚光镜组52和第二滤光片62后进入第二光电探测器72，产生与参考光路曝光量成正比的电信号；此两路光束探测单元分别接收并存储在示波器9中，示波器9显示并记录每次测量的透过率数据，最后将测量数据其导入计算机10中进行处理。其中，当准分子激光光源1开始工作后，发出触发脉冲到同步控制电路8，同步控制电路8接到触发信号后发出指令给第一光束探测单元71和第二光束探测单元72，使以上两个光束探测单元开始同步工作；计算机10控制待测光学元件4内部的相对机械运动。

其中所诉测量装置中，激光光源为准分子激光光源，发出测量光的波长为193nm。

其中所诉测量装置中，能量衰减装置为透过率范围可调的光学可变衰减器，其透过率范围为8%—90%。

其中所诉测量装置中，第一光束探测单元71和第二光电探测单元72为紫外单点光电探测器或紫外光电二极管或带有将紫外光转化为可见光装置的可见光探测器组成。

一种光刻机中照明全系统及各组件透过率的测量方法，步骤如下：

步骤1：准分子激光光源1产生照明光束，经过能量衰减装置2，通过调节可变衰减器中衰减片和补偿片的转动角度，使得出射光束的能量衰减。

步骤2：分光镜3将入射光束一分为二为测试光路和参考光路，其反射的第一路光，即为参考光路，通过第一聚光镜组51和第一滤光片61后出射到第一光电探测单元71上；分光镜透射的第二路光，即为测试光路，光束通过待测光学元件4，第二聚光镜组52和第二光镜组52和第二滤光片62后出射到第二光电探测单元72上，对准光路开始测量，用示波器9记录n次测量后测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据，n>200，设其分别为：

参考光路：V₁，V₂，V₃....V_n；

测试光路：V₁′，V₂′，V₃′....V_n′；

其中，这n组数据之间间隙为0.2秒；

步骤3：根据示波器9中所记录的步骤2中n次测量后的两路电压信号，使用计算机10进行数据处理，求解出待测光学组件4的透过率。

设第k次测量时测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据分别为V_k和V_k′，则有：

V_k＝αω_kT₅₁T₆₁x+ΔV_k    (1-8)

V_k′＝(1-α)ω_kT₅₂T₆₂T_Akx+ΔV_k′    (1-9)

其中，ω_k为第k次测量时经过能量衰减装置2后，分光镜3之前激光光束能量，α和(1-α)分别为分光镜对测试光路和参考光路的分光比，T₅₁，T₅₂分别为第一聚光镜组51和第二聚光镜组52的透过率，T₆₁，T₆₂分别为第一滤光片61和第二滤光片62的透过率，T_Ak为待测光学元件4的透过率，x为光电探测器工作在线性区内将光强转换为电压的效率。其中，α，T₅₁，T₅₂，T₆₁，T₆₂均为已知量。ΔV_k和ΔV_k′分别为第k次测量中两个光电探测器由于内部噪声的影响输出的电压误差值。

第k+1次测量时测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据分别为V_k+1和V_k+1′，则有：

V_k+1＝αω_k+1T₅₁T₆₁x+ΔV_k+1    (1-10)

V_k+1′＝(1-α)ω_k+1T₅₁T₆₁T_Akx+ΔV_k+1′    (1-11)

其中，ω_k+1为此时经过能量衰减装置2后，分光镜3之前激光光束能量，ΔV_k+1和ΔV_k+1′分别为第k+1次测量中两个光电探测器由于内部噪声的影响输出的电压误差值。

在测量过程中可视ΔV_k≈ΔV_k+1，ΔV_k′≈ΔV_k+1′，结合以上公式，得出第一类被测光学元件的透过率T_A为：

$T_A=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\×\frac{T_{51}{T}_{61}({V_{k+1}}^{\′}-{V_k}^{\′})}{T_{52}{T}_{62}(V_{k+1}-V_k)}---(1-12)$

其中，T_A为经过两次测量后所得出的待测光学元件(4)的透过率，V_k和V_k′，V_k+1和V_k+1′分别为设第k次和第k+1次测量时测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据。

将步骤3中所测数据两两代入公式(1-5)，将得到的结果相加取平均值得到待测光学元件4的透过率：

$T_{\stackrel{\‾}{A}}=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\×\frac{T_{51}{T}_{61}}{T_{52}{T}_{62}}\×\stackrel{\‾}{\underset{k=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({V_{k+1}}^{\′}-{V_k}^{\′})}{(V_{k+1}-V_k)}}---(1-13)$

其中，为经过n次测量后待测光学元件4的透过率。

其中所述步骤2中，测试光路和参考光路的光电探测单元要求同步工作。

本发明由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

（1）高精度，由于本发明测试中采用了双光路的测试方法，消除了激光的能量波动，因此保证了紫外探测器的工作同步性，减小了测量误差，同时也可适用于在亮场情况下的高精度测量。

（2）多功能，根据本发明检测系统不但可以对光刻系统中的照明系统及各部分组件进行测量，还可以对紫外光刻系统中其他光学元件进行测量。

附图说明

图1为现有技术中提出的基于互相关技术的光学系统检测系统；

图2为本发明的能量衰减装置示意图；

图3为根据本发明实施例的待测光学元件透过率测试装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图2为能量衰减装置结构示意图，本发明中的能量衰减装置由光学可变衰减器组成，在给其加电时，可变衰减器的衰减片21和补偿片22同相转动，使得入射光束与衰减片呈不同的角度，出射光束可经过不同的能量衰减。

图3是本发明的照明系统各光学组件透过率测量装置结构示意图由可调准分子激光光源1，能量衰减装置2，分光镜3，待测光学元件4，第一聚光镜组51和第二聚光镜组52，第一滤光片61和第二滤光片62，第一光束探测单元71和第二光束探测单元72，同步控制电路8，示波器9和计算机10组成。可调准分子激光光源1，能量衰减装置2，分光镜3，待测光学元件4的中心在同一光轴上，分光镜3与光轴成约45°夹角，第一聚光镜组51和第二聚光镜组52，第一滤光片61和第二滤光片62的中心分别对准第一光束探测单元71和第二光束探测单元72的中心，同步控制电路8与可调准分子激光光源1和第一光束探测单元71和第二光束探测单元72连接，第一光束探测单元71和第二光束探测单元72与示波器9连接，示波器9与计算机10连接。其中，第一聚光镜组51和第二聚光镜组52，第一滤光片61和第二滤光片62构成光束接收单元，第一光电探测器71器和第二光电探测器72构成光束探测单元，同步控制电路8，示波器9和计算机10构成数据处理和控制系统。可调准分子激光光源1发出高斯光束到能量衰减装置2，光束经过衰减装置2后入射到分光镜3上，经分光镜3分成两束光束，分别进入测试光路和参考光路中，测试光路的光信号经第一聚光镜组51和第一滤光片61后进入第一光电探测器71中，产生测试光路曝光量成正比的电信号；参考光路的光信号经第二聚光镜组52和第二滤光片62后进入第一光电探测器72中，产生与参考光路曝光量成正比的电信号，两路光束探测单元输出的电压信号被存储在示波器9中，示波器9显示并记录每次测量的两路电压信号数据，最后将测量数据其导入计算机10中进行处理；其中，当可调准分子激光光源1开始工作后，发出触发脉冲到同步控制电路8，同步控制电路9接到触发信号后发出指令给第一光电探测器71和第二光电探测器72，使以上两个光电探测器开始同步工作；计算机10控制待测光学元件4内部的相对机械运动。

本发明测量方法具体步骤如下，包括：

步骤一：由于可调准分子激光光源1输出脉冲峰值功率较大，出射的深紫外激光必须经过能量衰减装置2进行衰减，才能使出射到探测器上的光束不超过其能量阈值，本发明的能量衰减装置为光学可变衰减器，在测试过程中可调节可变衰减器的旋转角度使得通过其的光束能量衰减。

步骤二：分光镜3将入射光束一分为二为测试光路和参考光路，其中分光镜3将入射光束一分为二为测试光路和参考光路，其反射的第一路光，即为参考光路，通过第一聚光镜组51和第一滤光片61后出射到光电探测器71上；分光镜透射的第二路光，即为测试光路，光束通过待测光学元件4，第二聚光镜组52和第二滤光片62后出射到光电探测器72上。光束接收单元由第一聚光镜组51和第二聚光镜组52、第一滤光片61和第二滤光片62组成，聚光镜组将由分光镜一分为二的测试光路和参考光路的光束会聚成小于光束探测单元接收面积的光斑，其通过第一滤光片61和第二滤光片62后出射到光束探测单元上。两路光束探测单元分别接存储示波器9，存储示波器9显示并记录每次测量的透过率数据，最后将测量数据其导入数据处理系统中进行处理。

用示波器9记录n次测量后测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据，n>200，设其分别为：

参考光路：V₁，V₂，V₃....V_n；

测试光路：V₁′，V₂′，V₃′....V_n′；

其中，这n组数据之间间隙为0.2秒；

由于测试所得待测光学元件的透过率值受光电探测单元内部噪声等因素影响，从而采取步骤3中所示的数据处理过程来去掉电信号中的噪声。

步骤3：根据示波器(9)中所记录的步骤2中n次测量后的两路电压信号，使用计算机(10)进行数据处理，求解出待测光学组件(4)的透过率。

设第k次测量时测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据分别为V_k和V_k′，则有：

V_k＝αω_kT₅₁T₆₁x+ΔV_k    (1-14)

V_k′＝(1-α)ω_kT₅₂T₆₂T_Akx+ΔV_k′    (1-15)

其中，ω_k为第k次测量时经过能量衰减装置2后，分光镜3之前激光光束能量，α和(1-α)分别为分光镜对测试光路和参考光路的分光比，T₅₁，T₅₂分别为第一聚光镜组51和第二聚光镜组52的透过率，T₆₁，T₆₂分别为第一滤光片61和第二滤光片62的透过率，T_Ak为待测光学元件4的透过率，x为光电探测器工作在线性区内将光强转换为电压的效率。其中，α，T₅₁，T₅₂，T₆₁，T₆₂均为已知量。ΔV_k和ΔV_k′分别为第k次测量中两个光电探测器由于内部噪声的影响输出的电压误差值。

第k+1次测量时测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据分别为V_k+1和V_k+1′，则有：

V_k+1＝αω_k+1T₅₁T₆₁x+ΔV_k+1    (1-16)

V_k+1′＝(1-α)ω_k+1T₅₁T₆₁T_Akx+ΔV_k+1′    (1-17)

其中，ω_k+1为此时经过能量衰减装置2后，分光镜3之前激光光束能量，ΔV_k+1和ΔV_k+1′分别为第k+1次测量中两个光电探测器由于内部噪声的影响输出的电压误差值。

由于在测量过程中，激光光源输出的能量一定但存在±10%的能量漂移，经过测量得知，这±10%的能量漂移对光电探测器由于内部噪声的影响输出的电压误差值影响较小，且测量间隙极短，则在测量过程中可视为ΔV_k≈ΔV_k+1，ΔV_k′≈ΔV_k+1′，结合以上公式，得出待测光学元件的透过率T_A为：

$T_A=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\×\frac{T_{51}{T}_{61}({V_{k+1}}^{\′}-{V_k}^{\′})}{T_{52}{T}_{62}(V_{k+1}-V_k)}---(1-18)$

其中，T_A为经过两次测量后所得出的待测光学元件4的透过率，V_k和V_k′，V_k+1和V_k+1′分别为设第k次和第k+1次测量时测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据。将步骤3中所测数据两两代入公式(1-18)，将得到的结果相加取平均值得到待测光学元件4的透过率：

$T_{\stackrel{\‾}{A}}=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\×\frac{T_{51}{T}_{61}}{T_{52}{T}_{62}}\×\stackrel{\‾}{\underset{k=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({V_{k+1}}^{\′}-{V_k}^{\′})}{(V_{k+1}-V_k)}}---(1-19)$

其中，为经过n次测量后待测光学元件4的透过率。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种光刻机中照明全系统及各组件透过率的测量方法，其特征在于：所述包括：可调准分子激光光源(1)，能量衰减装置(2)，分光镜(3)，待测光学元件(4)，第一聚光镜组(51)和第二聚光镜组(52)，第一滤光片(61)和第二滤光片(62)，第一光束探测单元(71)和第二光电探测单元(72)，同步控制电路(8)，示波器(9)和计算机(10)，实现步骤如下：

步骤1：准分子激光光源(1)产生照明光束，经过能量衰减装置(2)，通过调节可变衰减器中衰减片和补偿片的转动角度，使得出射光束的能量衰减；

步骤2：分光镜(3)将入射光束一分为二为测试光路和参考光路，其反射的第一路光，即为参考光路，通过第一聚光镜组(51)和第一滤光片(61)后出射到光电探测单元(71)上；分光镜透射的第二路光，即为测试光路，光束通过待测光学元件(4)，第二聚光镜组(52)和第二滤光片(62)后出射到光电探测单元(72)上，对准光路开始测量；

用示波器(9)记录n次测量后测试光路和参考光路的光电探测器输出电压数据，n>200，设其分别为：

参考光路：V₁，V₂，V₃....V_n；

测试光路：V₁′，V₂′，V₃′....V_n′；

其中，这n组数据之间间隙为0.2秒；

步骤3：根据示波器(9)中所记录的步骤2中n次测量后的两路电压信号，使用计算机(10)进行数据处理，求解出待测光学元件(4)的透过率；

设第k次测量时参考光路和测试光路的光电探测器输出电压数据分别为V_k和V_k′，则有：

V_k＝αω_kT₅₁T₆₁x+ΔV_k          (1-1)

V_k′＝(1-α)ω_kT₅₂T₆₂T_Akx+ΔV_k′         (1-2)

其中，ω_k为第k次测量时经过能量衰减装置(2)后，分光镜(3)之前激光光束能量，α和(1-α)分别为分光镜对参考光路和测试光路的分光比，T₅₁,T₅₂分别为第一聚光镜组(51)和第二聚光镜组(52)的透过率，T₆₁，T₆₂分别为第一滤光片(61)和第二滤光片(62)的透过率，T_Ak为待测光学元件(4)的透过率，x为光电探测器工作在线性区内将光强转换为电压的效率；其中，α，T₅₁，T₅₂，T₆₁，T₆₂均为已知量，ΔV_k和ΔV_k′分别为第k次测量中两个光电探测器由于内部噪声的影响输出的电压误差值；

第k+1次测量时参考光路和测试光路的光电探测器输出电压数据分别为V_k+1和V_k+1′，则有：

V_k+1＝αω_k+1T₅₁T₆₁x+ΔV_k+1         (1-3)

V_k+1′＝(1-α)ω_k+1T₅₂T₆₂T_Akx+ΔV_k+1′          (1-4)

其中，ω_k+1为此时经过能量衰减装置(2)后，分光镜(3)之前激光光束能量，ΔV_k+1和ΔV_k+1′分别为第k+1次测量中两个光电探测器由于内部噪声的影响输出的电压误差值；

在测量过程中可视ΔV_k≈ΔV_k+1，ΔV_k′≈ΔV_k+1′，结合以上公式，得出待测光学元件(4)的透过率T_A为：

$T_A=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\×\frac{T_{51}{T}_{61}({V_{k+1}}^{\′}-{V_k}^{\′})}{T_{52}{T}_{62}(V_{k+1}-V_k)}---(1-5)$

其中，T_A为经过两次测量后所得出的待测光学元件(4)的透过率，V_k和V_k′，V_k+1和V_k+1′分别为设第k次和第k+1次测量时参考光路和测试光路的光电探测器输出电压数据；

将步骤3中所测数据两两代入公式(1-5)，将得到的结果相加取平均值得到待测光学元件(4)的透过率：

$T_{\stackrel{\‾}{A}}=\frac{\mathrm{\α}}{1-\mathrm{\α}}\×\frac{T_{51}{T}_{61}}{T_{52}{T}_{62}}\×\stackrel{\‾}{\underset{k=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{({V_{k+1}}^{\′}-{V_k}^{\′})}{(V_{k+1}-V_k)}}---(1-6)$

其中，为经过n次测量后待测光学元件(4)的透过率。

2.如权利要求1所述的一种光刻机中照明全系统及各组件透过率的测量方法，其特征在于：所述步骤2中，测试光路和参考光路的光电探测单元要求同步工作。