CN106197738B - 一种物镜内部温度分布和应变测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物镜内部温度分布和应变测量系统及其测量方法，该系统包括：若干光纤、设于每根光纤内的若干布拉格光栅组、与光纤对应设置的光源和光谱分析仪，光纤设于镜筒内壁和/或镜片表面，且两端伸出镜筒外连接光源和光谱分析仪，若干布拉格光栅组的中心波长不同。本发明通过在光纤内设置若干布拉格光栅组，同时在光纤上连接光源和光谱分析仪，不仅可以实时测量物镜内不同位置的温度变化，最终得到整体的温度分布情况，且根据光谱分析仪中得到的光波数据进行计算，避免了由于装配、环境、应力等问题而带来的测量误差，提高了系统的测量精确度和稳定性，对后期温控补偿或成像质量的分析提供更完善的依据，提高了光刻机的成像质量。

Description

一种物镜内部温度分布和应变测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及光刻机物镜领域，具体涉及一种物镜内部温度分布和应变测量系统及其测量方法。

背景技术

在大规模集成电路的光学光刻中，物镜内部温度是否稳定关系到焦面和镜头成像质量的稳定性，是光刻机至关重要的指标，由于受到物镜内部结构及布局的限制，无法采用风冷等手段进行温度控制，因此传统技术中普遍采用加装水套法来控制物镜内部的温度。

加装水套法即在水套内注入高精度温控冷却水，通过水气换热的方式建立保持物镜内部温度相对恒定并具有温度反馈功能的控制架构。采用该方法需在物镜镜片温度敏感点设置铂电阻温度传感器进行温度采集和反馈控制，同时通过一系列措施精确控制水温，如图1所示。然而，现有技术通常存在以下三个方面的问题：一、由于铂电阻温度传感器为基于单点的温度测量传感器，其信号采用A/D采样方式，容易受到电磁辐射、对地绝缘性能等外部环境影响，此外，在采用多点测量时，需要对不同铂电阻传感器之间进行温度标定，工作量大、难度高；二、在实际应用中，由于受到物镜内部结构布局、环境工况、水套安装位置、水管铺设方式等因素影响，导致物镜内部的温度呈现非线性分布，而基于单点的铂电阻温度传感器无法给出物镜内部完整的温度分布情况；三、在光刻机工作时，由于镜筒材料与镜片材料的热膨胀系数不同，因此物镜内部温度的变化将导致镜筒发生应变，由此引起对镜片的应力，且镜筒不同位置对应的温度不同，其产生的应变不同，对镜片的应力也不同，而采用铂电阻温度传感器进行测量无法得到镜筒不同位置的应变以及对镜片造成的应力，未能对后期温控补偿或成像质量的分析提供更完善的依据，最终导致像质不稳定。

发明内容

本发明为了克服以上不足，提供了一种可以准确测量物镜内部整体温度分布和应变的物镜内部温度分布和应变测量系统及其测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种物镜内部温度分布和应变测量系统，包括：物镜，包括镜筒和镜片，所述物镜内部具有温度分布，对应所述镜筒和所述镜片应力形变；测量装置，用于同时测量所述物镜单元内部的温度分布，及所述镜筒和/或镜片的应力形变。

进一步的，所述测量装置包括：若干光纤、设于每根所述光纤内的若干布拉格光栅组、与光纤对应设置的光源和光谱分析仪，所述光纤设于镜筒内壁和/或镜片表面，且两端伸出镜筒外连接所述光源和光谱分析仪，若干所述布拉格光栅组的中心波长不同。

进一步的，每个所述布拉格光栅组包括若干布拉格光栅，所述布拉格光栅非等间距设置。

进一步的，每个所述布拉格光栅组包括不少于2个布拉格光栅。

进一步的，所述光源为宽带光源。

进一步的，所述布拉格光栅组之间设有间距。

进一步的，所述光纤的其中一端同时连接所述光源和光谱分析仪。

进一步的，所述光纤一端连接所述光源，另一端连接所述光谱分析仪。

一种物镜内部温度分布和应变测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1：安装测量装置，在光纤内间距设置若干布拉格光栅组；

S2：沿镜筒内壁和/或镜片表面设置若干光纤，使每根光纤的两端伸出至镜筒外侧；

S3：将每根光纤分别连接一个光源和光谱分析仪；

S4:打开光源照射光纤，并间隔读取光谱分析仪数据；

S5：根据读取的数据计算出对应的温度变化值和应变量。

进一步的，所述步骤S2中光纤与镜筒内壁或镜片表面通过黏合剂紧密贴合。

进一步的，所述步骤S2中光纤沿不同方向设置于镜片上、下表面。

本发明提供的物镜内部温度分布和应变测量系统及其测量方法，通过在光纤内设置若干布拉格光栅组，同时在光纤上连接光源和光谱分析仪，不仅可以实时测量物镜内不同位置的温度变化，最终得到整体的温度分布情况，且根据光谱分析仪中得到的光波数据进行计算，避免了由于装配、环境、应力等问题而带来的测量误差，提高了系统的测量精确度和稳定性，对后期温控补偿或成像质量的分析提供更完善的依据，提高了光刻机的成像质量。

附图说明

图1现有加装水套法的原理图；

图2是本发明实施例1物镜内部温度分布和应变测量系统结构示意图；

图3a、3b是本发明实施例1光纤与光源和光谱分析仪的连接示意图；

图4是本发明实施例1物镜内部温度分布和应变测量系统的测量方法流程图；

图5是本发明实施例1镜片热效应影响曲线图；

图6是本发明实施例1物镜内部光路图；

图7是本发明实施例2镜片表面光纤分布图；

图8是本发明实施例2光纤沿笛卡儿空间坐标系布置图；

图9是本发明实施例2镜片形变矢量表示图。

图2-9中所示：1、光纤；2、布拉格光栅组；201、布拉格光栅；3、光源；4、光谱分析仪；5、镜筒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例1

如图2所示，本发明提供了一种物镜内部温度分布和应变测量系统，包括：物镜，包括镜筒5和镜片，物镜内部具有温度分布，该温度分与镜筒5和镜片的应力形变相对应；测量装置，用于同时测量物镜内部的温度分布，及镜筒5和/或镜片的应力形变。

优选的，测量装置包括：若干光纤1、设于每根光纤1内的若干布拉格光栅组2、数量均与光纤1对应的光源3和光谱分析仪4，若干布拉格光栅组2的中心波长不同。所述具有布拉格光栅的光纤亦可使用过对压力及温度变化敏感的元器件代替，如压敏元件及光电镜片的组合使用，但不局限于此。

光纤1设于镜筒5内壁和/或镜片表面，通过黏合剂与镜筒5内壁紧密贴合，且两端伸出镜筒5外连接光源3和光谱分析仪4，光源3为宽带光源,波长范围可覆盖紫外、可见光以及近红外波段，优选为LED光源、氙灯或卤素灯，宽带光源可提供不同波长的光，为不同的布拉格光栅组2提供中心波长不同的光。

布拉格光栅组2包括若干布拉格光栅201，若干布拉格光栅组2之间设有间距，以测量不同位置对应的温度变化和镜筒5的应变量，每个布拉格光栅组2包括不少于2个布拉格光栅201，同时为了使不同布拉格光栅组2的中心波长不同，布拉格光栅201之间非等间距设置，以达到的目的，即每个布拉格光栅组2将与其中心波长相同的光反射，该反射光的波长信息可以通过连接在光纤1一端的光谱分析仪4读出，需要说明的是，镜筒5结构由于温度改变发生形变时，其金属结构会牵扯光纤1两端，从而改变布拉格光栅组2的反射中心波长，中心波长的变化过程可从光谱分析仪4中获得。

较佳的，光纤1与光源3和光谱分析仪4的连接方式有两种：

一种如图3a所示，光纤1的其中一端同时连接光源3和光谱分析仪4，光源3提供宽波段入射光谱，反射光谱的波长为λ，即布拉格光栅组2的中心波长为λ，光谱分析仪4与光源3位于同一端，因此光谱分析仪4检测到波长为λ的反射光谱。

另一种如图3b所示，光纤1的两端分别连接光源3和光谱分析仪4，提供宽波段入射光谱，反射光谱的波长为λ，即布拉格光栅组2的中心波长为λ，光谱分析仪4与光源3位于不同端，因此光谱分析仪4检测到中心波长缺失的出射光谱。

本实施例还提供一种物镜内部温度分布和应变测量系统的测量方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1：安装测量装置，在光纤1内间距设置若干布拉格光栅组2，每个布拉格光栅组2包括不少于2个布拉格光栅201，且布拉格光栅201之间的间距不同，使不同的布拉格光栅组2具有不同的中心波长。

S2：沿镜筒5内壁纵向设置若干光纤1，使每根光纤1的两端伸出至镜筒5外侧，其中光纤1通过黏合剂与镜筒5内壁紧密贴合，以准确传递镜筒5的发生的应变。

S3：将每根光纤1分别连接一个光源3和光谱分析仪4，具体的，光源3和光谱分析仪4连接光纤1同一端或者连接光纤1的不同端，光源3提供宽波段入射光谱，反射光谱的波长为λ，即布拉格光栅组2的中心波长为λ，光谱分析仪4与光源3位于同一端时，光谱分析仪4可检测到波长为λ的反射光谱；光谱分析仪4与光源3位于不同端时，光谱分析仪4可检测到中心波长缺失的出射光谱。

S4:打开光源3照射光纤1，并间隔读取光谱分析仪4数据，获取布拉格光栅组2中心波长的变化数据。

S5：根据读取的数据计算出对应的温度变化值△T和镜筒5的应变量△ε，具体的计算过程如下：

本实施例中，如图6所示，物镜内包括成像透镜12片(L11-L16、L21-L26)、反射镜2片(M17、M27)、直角反射棱镜2个(K1、K2)、楔形平板两块(P101、P102)、平行平板两块(P201、P202)、无焦透镜组3片(L301、L302、L303)、保护玻璃G1，物平面OS，像平面IS，对各镜片的热效应影响进行单独分析，得到镜片热效应影响曲线和物镜内部光路图分别如图5、6所示，从图中可以看出热效应导致的焦面影响主要表现在镜片L15、L25上。因此本实施例中仅给出了在镜片L14、L15、L16；L24、L25、L26之间布置光纤1的情形。

布拉格光栅组2的折射率沿光纤1轴向周期性分布，具有良好的波长选择特性，其反射中心波长λ_B与布拉格光栅组2的折射率调制周期∧和布拉格光栅组2的有效折射率n_eff相关，当温度变化或发生应变时，都会使布拉格光纤光栅组2的中心波长λ_B发生偏移，即反射光的波长发生偏移。

中心波长λ_B由布拉格方程给出：

λ_B＝2n_effΛ (1)

由于中心波长λ_B与作用在其上的应力和温度有关，具有交叉敏感性，为求得所需的应变量，需要将温度与应变量进行解耦。

将(1)式对温度进行求导可得：

将(2)式除以(1)式，得到：

其中是布拉格光栅组2的热光系数，以参数ξ表示，为布拉格光栅组2的热膨胀系数，以参数α表示，则当环境温度发生△T的变化时，对应的布拉格光栅组2中心波长λ_B的漂移量△λ_BT可以表示为：

△λ_BT＝λ_B(α+ξ)△T (4)

同理，当布拉格光栅组2受到轴向应变量为△ε时，对应的中心波长λ_B的漂移量为△λ_BS可以表示为：

△λ_BS＝λ_B(1-ρ_e)△ε(5)

ρ_e为布拉格光栅组2的有效弹光系数，其值为

由于布拉格光栅组2最终的波长漂移与温度和应变均呈线性关系，因此可得出：

△λ_B＝△λ_BS+△λ_BT (6)

由于温度变化△T和应变量△ε均未知，因此利用双波长叠加法进行解耦。

在较小的范围内设置两个反射中心波长分别为λ_B1和λ_B2的布拉格光栅组2传感点。由于两个布拉格光栅组2距离非常近，因此假设两者受到的温度与应力一致，通过分别代入式(4)、(5)、(6)中便可得到两个布拉格光栅组2所受到的温度变化△T与应变△ε的二元一次方程组：

其中A与B分别为：

由于△λ_B1、△λ_B2可通过光谱分析仪4得到，A、B为常量，解出(7)式即可得到布拉格光栅组2的温度变化△T与应变△ε。

通过计算多个布拉格光栅组2的温度变化△T与应变△ε，即可得到L14至L15镜片周围的温度分布，同理通过计算物镜内布置的所有布拉格光栅组2的温度变化△T与应变△ε，便可得到所有镜片间隙的空气温度场分布，并据此实时进行温控补偿，精确控制物镜内的温度分布。

实施例2

本实施例提供一种物镜内部镜片形变测量方法，包括以下步骤：

(a)在光纤1内间距设置若干布拉格光栅组2，每个布拉格光栅组2包括不少于2个布拉格光栅201，且布拉格光栅201之间的间距不同，使不同的布拉格光栅组2具有不同的中心波长。

(b)沿镜片上、下表面分别设置若干光纤1，使每根光纤1的两端伸出至镜筒5外侧；具体的，镜片上、下表面的光纤1沿不同方向设置，如图7所示。

(c)将每根光纤1分别连接一个光源3和光谱分析仪4，具体的，连接光源3和光谱分析仪4连接光纤1同一端或者连接光纤1的不同端，光源3提供宽波段入射光谱，反射光谱的波长为λ，即布拉格光栅组2的中心波长为λ，光谱分析仪4与光源3位于同一端时，光谱分析仪4可检测到波长为λ的反射光谱；光谱分析仪4与光源3位于不同端时，光谱分析仪4可检测到中心波长缺失的出射光谱。

(d)打开光源3照射光纤1，并间隔读取光谱分析仪4数据，获取布拉格光栅组2中心波长的变化数据。

(e)根据读取的数据计算出对应的温度变化值和镜片形变量，具体的计算方法同实施例1，分别计算出镜片上、下方布置的多个布拉格光栅组2的温度变化△T与形变ε₁，由于镜片上、下两侧的光纤1沿不同方向布置，因此通过不同方向的形变量对镜片进行相应调整。

需要说明的是，也可以镜片上的其中一点为基点，建立笛卡儿空间坐标系，分别沿X、Y、Z轴三个方向布置光纤，如图8所示，根据实施例1中的方法计算出X、Y、Z轴三个方向对应的温度变化和形变量，设X、Y、Z轴三个方向对应的形变量分别为ε_x、ε_y、ε_z，如图9所示，则镜片的形变量ε与ε_x、ε_y、ε_z三者之间的矢量关系为：

则有：

与X、Y、Z轴三个方向的夹角cosα、cosβ、cosγ分别为：

方向：

根据(9)、(10)、(11)式得到镜片的形变参数，并根据形变参数对镜片进行相应调整。

综上所述，本发明提供的物镜内部温度分布和应变测量系统及其测量方法，通过在光纤1内设置若干布拉格光栅组2，同时在光纤1上连接光源3和光谱分析仪4，不仅可以实时测量物镜内不同位置的温度变化，最终得到整体的温度分布情况，且根据光谱分析仪4中得到的光波数据进行计算，避免了由于装配、环境、应力等问题而带来的测量误差，提高了系统的测量精确度和稳定性，对后期温控补偿或成像质量的分析提供更完善的依据，提高了光刻机的成像质量。

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种物镜内部温度分布和应变测量系统，其特征在于，包括：

物镜，包括镜筒和镜片，所述物镜内部具有温度分布，对应所述镜筒和所述镜片应力形变；

测量装置，用于同时测量所述物镜单元内部的温度分布，及所述镜筒和/或镜片的应力形变，所述测量装置包括若干光纤、设于每根所述光纤内的若干布拉格光栅组，所述光纤设于镜筒内壁和/或镜片表面，若干所述布拉格光栅组的中心波长不同。

2.根据权利要求1所述的物镜内部温度分布和应变测量系统，其特征在于，所述测量装置还包括与所述光纤对应设置的光源和光谱分析仪，所述光纤的其中一端同时连接所述光源和光谱分析仪，或者，所述光纤一端连接所述光源，另一端连接所述光谱分析仪。

3.根据权利要求2所述的物镜内部温度分布和应变测量系统，其特征在于，每组所述布拉格光栅组包括若干布拉格光栅，所述布拉格光栅非等间距设置。

4.根据权利要求3所述的物镜内部温度分布和应变测量系统，其特征在于，每个所述布拉格光栅组包括至少2个布拉格光栅。

5.根据权利要求4所述的物镜内部温度分布和应变测量系统，其特征在于，所述光源为宽带光源。

6.根据权利要求5所述的物镜内部温度分布和应变测量系统，其特征在于，所述布拉格光栅组之间设有间距。

7.一种物镜内部温度分布和应变测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：安装测量装置，在光纤内间距设置若干布拉格光栅组；

S2：沿镜筒内壁和/或镜片上、下表面设置若干光纤，使每根光纤的两端伸出至镜筒外侧；

S3：将每根光纤各自连接一个光源和光谱分析仪；

S4:打开光源照射光纤，并间隔读取光谱分析仪数据；

S5：根据读取的数据计算对应的温度变化值和应变量。

8.根据权利要求7所述的物镜内部温度分布和应变测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中光纤与镜筒内壁或镜片表面通过黏合剂紧密贴合。

9.根据权利要求7所述的物镜内部温度分布和应变测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中光纤沿不同方向设置于镜片上、下表面。