CN108507686A - 一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法及装置，使用参考激光器对FP标准因为温度压力等变化引起的漂移进行实施反馈，解决了FP标准具测量激光器中心波长的漂移问题，提高了激光器中心波长的精度和稳定度。

Description

一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法及装置

技术领域

本发明涉及精密测量领域，特别涉及一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法及装置。

背景技术

准分子激光器是一种波长处于紫外波段的脉冲气体激光器，其工作物质由惰性气体(氖气、氩气、氪气、氙气等)和卤族元素(氟、氯、溴等)做成，在基态时，成两种原子气体混合状，被短脉冲电流激发到高能级时生成化合物，化合物的每个分子由两种气体各贡献一个原子组成，成准分子态。当电子从高能级跃迁到低能级时辐射出紫外激光。

最常见的准分子激光器有氟化氩(ArF),氟化氪(KrF)和氯化氙(XeCl)等，其中心波长分别为193nm、248nm和308nm，因其能量大、波长短，是半导体光刻的理想光源。在曝光过程中，准分子激光器中心波长的变化会引起光刻机成像面的位置变化，从而引起曝光线条变宽，芯片的良品率下降。为了得到稳定的中心波长，准分子激光器中都有在线检测模块，当检测模块检测到激光器的中心波长变化时，将变化量传递给激光器系统，系统根据变化量大小，调整激光器的输出波长，以保证激光器输出稳定中心波长的光束。

Fabry-Perot标准具(以下简称FP标准具)法是一种常用的测量激光器中心波长的方法(如专利US6480275，US6539046，CN103674287等)，激光器经过FP标准后，产生干涉条纹，根据干涉条纹峰值的位置，得到入射激光器的中心波长。但中心波长的测量精度容易受温度压力等环境参数的变化所影响，当温度压力或者FP内部材料释放气体时，FP标准具的间距d以及内部气体的折射率就会发生改变，从而使FP标准具测量的中心波长发生漂移，影响激光器中心波长测量的精度和稳定度。在专利(US5025445)中，CYMER公司为了提高中心波长的测量精度，提出了两种方法来提高FP标准具的稳定性，方法一是将FP标准放在一个真空容器中，这样就避免了环境温度和气压的变化对FP标准具的影响。但是真空很难长时间维持，因此在长时间测量中心波长时就会存在漂移。方法二是将FP标准具放在充满缓存气体(如氮气)的恒温容器中，但该方法依然无法克服激光器在开机时由冷到热的温度变化，而且恒温容器的也存在一定的温度变化，因此中心波长的测量精度仍然无法有效保证。

在专利(EP0570243)中，提出了一种中心波长的温度反馈方法，通过测量FP标准具的温度变化，进而在软件算法中对FP标准具的距离d进行修正，从而达到稳定测量中心波长的目的，但该方法中的温度传感器只能测量FP标准具外壳的温度，而外壳的温度和FP标准具本身的温度存在一定的差别，因此这种温度反馈方法依然无法实现中心波长的高精度测量。

在专利(EP0801829)中，提出了一种利用温度和温度导数反馈FP标准具的温漂的校准方法，能够一定程度解决温度变化，尤其是开机由冷到热变化中引入的误差，但该方法中，温度传感器测量的温度及温度导数均来自FP标准具外壳，无法标准FP标准具的温度变化，因此中心波长的测量精度依然无法真正提高。

在专利(US6667804)中，Lambda Physik公司提出一种同时测量FP标准温度和压力进而校正FP标准具的测量波长的方法，对波长的校准模型进行了细化，但该种方法仍然是一种间接方法，只是从外界温度和压力的变化区推断FP标准具的变化，因此存在着一定的温度，在高精度测量中心波长时，测量结果依然无法保证。

在专利(US5387974)中，Mitsubishi公司提出了一种利用温度传感器和汞灯反馈FP标准具温漂的方法，利用汞灯发射谱线在FP标准具中测量结果的变化，得到FP标准具的光程改变量，从而校准FP标准具测量激光器的中心波长。然而，该专利中采用汞灯中的252nm发射波长作为校准波长，被测激光波长为248nm，因此对于FP标准具中间的工作气体存在一定的色差，随着FP标准具长时间工作，气体的成分发生改变，该色差也会发生改变，而且无法校正，因此无法保证中心波长长时间测量的精度和稳定度。此外，因为汞灯发热大，寿命短(一般只有1000小时)，因此无法保证汞灯一直工作，所以该装置无法对中心波长进行实时校准，影响了中心波长的测量精度，无法满足高质量激光器的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法及装置，解决了FP标准具测量激光器中心波长的漂移问题，提高了激光器中心波长的精度和稳定度。

第一方面，本发明提供一种激光器中心波长测量的温漂反馈装置，包括第一匀光片、第一光阑、第一分束镜、参考激光器、第二匀光片、第二光阑、准直透镜、FP标准具、会聚镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜以及成像单元，待测激光器发出的待测激光部分进入所述第一匀光片，所述待测激光经过匀化后经过所述第一光阑后照射在所述第一分束镜上，经过所述第一分束镜反射的所述待测激光经过所述准直透镜后进入所述FP标准具，所述待测激光经过所述FP标准具内部多次反射后射出，由所述FP标准具射出的所述待测激光照射在所述会聚镜上，经过会聚后的所述待测激光透过所述第二分束镜，经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射后进入所述成像单元得到第一干涉条纹成像；

由所述参考激光器发出的参考激光依次经过所述第二匀光片、所述第二光阑后照射在所述第一分束镜，所述参考激光经过所述第一分束镜透射后经由所述准直透镜准直后进入所述FP标准具，所述参考激光经过所述FP标准具内部多次反射后射出照射在所述会聚镜上，经过会聚后的所述参考激光透过所述第二分束镜，经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射后进入所述成像单元得到第二干涉条纹成像，利用所述第二干涉条纹成像作为基准对所述第一干涉条纹成像进行温度漂移补偿反馈。

可选地，所述FP标准具包括进气阀、出气阀以及两片平行设置的第一高反射镜和第二高反射镜。

可选地，所述第一分束镜和所述第二分束镜采用二向色分束镜。

可选地，所述第一匀光片和所述第二匀光片采用毛玻璃、全系扩散片、积分棒或微透镜阵列。

可选地，还包括平板玻璃，所述待测激光器发出的待测激光通过所述平板玻璃照射所述第一匀光片。

可选地，所述平板玻璃的材料采用氟化钙或熔石英。

可选地，所述成像单元采用CCD相机。

第二方面，本发明还提供一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法，应用在如上述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，所述方法包括：

获取干涉条纹中的峰值位置以及偏转角，所述偏转角为峰值位置光线与会聚镜中心线之间夹角，所述峰值位置r满足第一关系为；

其中λ为待测激光器输出波长，n为FP标准具内气体的折射率，d为FP标准具的间距，m为干涉条纹的级次，f为会聚镜的焦距；

获取FP标准具的漂移量，所述漂移量满足第二关系，所述第二关系为：

获取参考激光器的中心波长λ_r，当Δn＝0根据所述第二关系，得到第三关系：

根据所述第三关系和所述参考激光器的干涉条纹位置得到第四关系，由所述第四关系确定所述待测激光器的中心波长，所述第四关系为：

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提出一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法及装置，使用参考激光器对FP标准因为温度压力等变化引起的漂移进行实施反馈，解决了FP标准具测量激光器中心波长的漂移问题，另外，也可以提高了激光器中心波长测量的精度和稳定度。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种激光器中心波长测量的温漂反馈装置的光路示意图；

图2是本发明实施例中的一种激光器中心波长测量的温漂反馈装置中FP标准具测量的温漂反馈中心波长的原理示意图；

图3是本发明实施例中的一种激光器中心波长测量的温漂反馈装置中FP标准具的干涉条纹示意图；

图4是本发明实施例中的一种激光器中心波长测量的温漂反馈装置中待测激光和参考激光的干涉条纹的示意图。

附图标记：

待测激光器1，平板玻璃2，第一匀光片3，第一光阑4，第一分束镜5，参考激光器6，第二匀光片7，第二光阑8，准直透镜9，FP标准具10，第一高反射镜10a，第二高反射镜10b，进气阀11，出气阀12，会聚镜13，第二分束镜14，第一反射镜15，第二反射镜16，成像单元17。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明提供一种激光器中心波长测量的温漂反馈装置，包括第一匀光片3、第一光阑4、第一分束镜5、参考激光器6、第二匀光片7、第二光阑8、准直透镜9、FP标准具10、会聚镜13、第二分束镜14、第一反射镜15、第二反射镜16以及成像单元17，待测激光器1发出的待测激光部分进入所述第一匀光片3，所述待测激光经过匀化后经过所述第一光阑4后照射在所述第一分束镜5上，经过所述第一分束镜5反射的所述待测激光经过所述准直透镜9后进入所述FP标准具10，FP标准具充有恒压气体，以减少气体流动对测试的影响，通常可采用氮气或氦气，待测激光经过所述FP标准具10内部多次反射后射出，由所述FP标准具10射出的所述待测激光照射在所述会聚镜13上，经过会聚后的所述待测激光透过所述第二分束镜14，经过所述第一反射镜15和所述第二反射镜16的反射后进入所述成像单元17得到第一干涉条纹成像，由所述参考激光器6发出的参考激光依次经过所述第二匀光片7、所述第二光阑8后照射在所述第一分束镜5，所述参考激光经过所述第一分束镜5透射后经由所述准直透镜9准直后进入所述FP标准具10，所述参考激光经过所述FP标准具10内部多次反射后射出照射在所述会聚镜13上，经过会聚后的所述参考激光透过所述第二分束镜14，经过所述第一反射镜15和所述第二反射镜16的反射后进入所述成像单元17得到第二干涉条纹成像，当使得FP标准具对待测激光器的影响可以通过参考激光器进行对照，参考激光器的参数已知利用所述第二干涉条纹成像作为基准对所述第一干涉条纹成像进行温度漂移补偿反馈。

采用本方案提供的温漂补偿方案解决设备对波长测量的影响，通过对所述待测激光和所述参考激光得到的第一干涉条纹成像和第二干涉条纹成像进行处理可以得到所述待测激光器1的中心波长。

如图2和图3所示，FP标准具10是一种高精密的光学元件，它由两个高度平行的光学镜片组成，镜片一面镀有高反射膜，膜层的反射系数一般大于95％，激光入射到FP标准具10上，被高反膜多次反射，经过会聚镜13，在CCD相机上得到干涉条纹，根据干涉条纹的位置分布，即可得到激光器的中心波长。

其中干涉条纹的峰值位置r，满足如下方程：

其中λ为待测激光器输出波长，n为FP标准具10内气体的折射率，d为FP标准具10的间距，m为干涉条纹的级次，f为会聚镜13的焦距。

当外界环境参数改变时，FP标准具10的参数也会发生改变，从而引起测量中心波长的漂移，漂移量可以表示为：

当对FP标准连续冲入恒压的干燥缓存气体(如氮气)时，其折射率的变化为Δn＝0，因此，式(2)可以简化为：

当使用中心波长为λ_r的稳频激光器时，可得：

将式(4)带入式(3)，可以得到：

从式(5)可以看出，根据参考激光器6干涉条纹的位置，实时校准FP标准具10测量的中心波长。

FP标准具10包括进气阀、出气阀以及两片平行设置的第一高反射镜10a和第二高反射镜10b，进入FP标准具10，光线经过FP标准时，在两个高反射镜上发生多次反射，进而得到多束干涉光线，为了保证FP标准具10内气体折射率不发生改变，本专利中的FP标准具10具有恒压的流动气体保护机构，保护气体(纯净的氮气或者氦气等)经过恒压恒温的容器(图中未示出)缓冲后，以固定的流量流入FP标准具10的进气阀11，经过FP标准具10后由出气阀12排出，为了防止环境气体倒灌，保护气体的压力略高于标准大气压力，这样就保证FP标准具10内气体压力和温度等参数保持恒定，气体的折射率不发生改变。

可选地，所述第一分束镜5和所述第二分束镜14采用二向色分束镜，二向色分束镜采用在光学玻璃表面镀上一层或多层薄膜，这时一束光投射到镀膜玻璃上后，通过反射和折射，光束就被分为两束或更多束，本领域普通技术人员应当了解，对此不做限定。

参考激光器6可以采用高精度的稳频激光器，其波长的稳定性可以达到10^-8，稳频激光器的波长可以是243nm、515nm、532nm、543nm、612nm、633nm、640nm、657nm、674nm、778nm、3.39μm、10.3μm，因此应用本方法可以得到被测激光器中心波长测量的温漂反馈精度达到0.00193pm(采用193nm激光器)或者0.00248pm(采用248nm激光器)，比以往的方法至少提高一个数量级，本实施例中波长选用632.8nm或633nm，对此不做限定。

可选地，所述第一匀光片3和所述第二匀光片7采用毛玻璃、全系扩散片、积分棒或微透镜阵列，可以根据需要灵活选择，对此不做限定。

可选地，还包括平板玻璃2，所述待测激光器1发出的待测激光通过所述平板玻璃2照射所述第一匀光片3，平板玻璃2对待测激光进行反射，可以改变光路，使得装置结构紧凑。

可选地，所述平板玻璃2的材料采用氟化钙或熔石英，可以有5％左右的光进入第一匀光片3，其余约95％的光出射，可以根据需要灵活选择，对此不做限定。

可选地，所述成像单元17采用CCD(电荷耦合元件，Charge-coupled Device)相机，CCD相机可以采用彩色CCD相机或黑白CCD相机，对此不做限定。

本发明实施例中提供一种激光器中心波长测量的温漂反馈工作时的过程可以是这样的：

待测激光器1出射波长为193nm或者248nm的待测激光打在平板玻璃2上，有5％左右的待测激光照射到第一匀光片3上，其余约95％的待测激光出射待测激光被第一匀光片3匀化后，经过第一光阑4，随后待测激光照在第一分束镜5上，第一分束镜5对193nm或者248nm光线高反，而对参考光线为透射，经过第一分束镜5反射的光经过准直透镜9后进入FP标准具10，光线经过FP标准具10时，在两个高反射镜上发生多次反射，进而得到多束干涉光线，从FP标准具10出射的光线，经过会聚镜13后，经过第二分束镜14，该第二分束镜14的性能参数和分束镜5一致，经过第二分束镜14的反射后，照在第二反射镜16，随后照在CCD的左侧，得到被测光束的第一干涉条纹成像。

参考激光器6出射参考激光经过第二匀光片7匀化后，穿过第二光阑8，随后经过第一分束镜5，照在准直透镜9上，然后照射在FP标准具10上，在FP标准具10上的两片高度平行的第一高反射镜10a和第二高反射镜10b镀有对被测激光和参考激光两个波长均为高反的膜层，参考激光器6的参考激光光束在FP标准具10上反射多次反射后，经过会聚镜13，因为会聚镜13存在着色差，从而导致参考激光的和被测激光两个波长的干涉条纹不在同一个焦平面上，而参考激光器的波长(比如632.8nm)一般要比被测激光器的波长(193nm或248nm)长，对应的焦距也大，参考激光器光束经过会聚镜13后，透过第二分束镜14，随后在第一反射镜15和第二反射镜16反射后照在成像单元17上，改变第一反射镜15的位置，就可以增加参考激光器光束的光程，从而使参考激光器和被测激光器的干涉条纹照在同一个CCD相机上，采用共光路和共CCD相机的设计可以使得系统紧凑，便于同时采集到被测激光和参考激光的干涉条纹。

如图4所示，为了避免二者的干涉条纹重合，可以调整第一反射镜15或者第二分束镜14的反射角度，使两个干涉条纹分别位于成像单元17的两侧，当然受激光器反射角的影响，二者仍无法避免重合，为此可以调整第一光阑4和第二光阑8的位置，第一光阑4和8的像位置在4’和8’的位置，保证被测激光器干涉条纹M和参考激光器干涉条纹R，既可以同时照在一个CCD上，又避免了干涉条纹的重合。

本发明提出的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，使用参考激光器对FP标准因为温度压力等变化引起的漂移进行实施反馈，解决了FP标准具测量激光器中心波长的漂移问题，提高了激光器中心波长测量的精度和稳定度。

第二方面，本发明还提供一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法，应用在如上述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，所述方法包括：

获取干涉条纹中的峰值位置以及偏转角，所述偏转角为峰值位置光线与会聚镜中心线之间夹角，所述峰值位置r满足第一关系为；

其中λ为待测激光器输出波长，n为FP标准具内气体的折射率，d为FP标准具的间距，m为干涉条纹的级次，f为会聚镜的焦距；

获取FP标准具的漂移量，所述漂移量满足第二关系，所述第二关系为：

获取参考激光器的中心波长λ_r，当Δn＝0根据所述第二关系，得到第三关系：

根据所述第三关系和所述参考激光器的干涉条纹位置得到第四关系，由所述第四关系确定所述待测激光器的中心波长，所述第四关系为：

本发明提出一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法，使用参考激光器对FP标准因为温度压力等变化引起的漂移进行实施反馈，不仅解决了FP标准具测量激光器中心波长的漂移问题，还可以提高了激光器中心波长测量的精度和稳定度。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种激光器中心波长测量的温漂反馈方法及装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种激光器中心波长测量的温漂反馈装置，其特征在于，包括第一匀光片、第一光阑、第一分束镜、参考激光器、第二匀光片、第二光阑、准直透镜、FP标准具、会聚镜、第二分束镜、第一反射镜、第二反射镜以及成像单元，待测激光器发出的待测激光部分进入所述第一匀光片，所述待测激光经过匀化后经过所述第一光阑后照射在所述第一分束镜上，经过所述第一分束镜反射的所述待测激光经过所述准直透镜后进入所述FP标准具，所述FP标准具充有恒压气体，所述待测激光经过所述FP标准具内部多次反射后射出，由所述FP标准具射出的所述待测激光照射在所述会聚镜上，经过会聚后的所述待测激光透过所述第二分束镜，经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射后进入所述成像单元得到第一干涉条纹成像；

由所述参考激光器发出的参考激光依次经过所述第二匀光片、所述第二光阑后照射在所述第一分束镜，所述参考激光经过所述第一分束镜透射后经由所述准直透镜准直后进入所述FP标准具，所述参考激光经过所述FP标准具内部多次反射后射出照射在所述会聚镜上，经过会聚后的所述参考激光透过所述第二分束镜，经过所述第一反射镜和所述第二反射镜的反射后进入所述成像单元得到第二干涉条纹成像，利用所述第二干涉条纹成像作为基准对所述第一干涉条纹成像进行温度漂移补偿反馈。

2.根据权利要求1所述的激光器中心波长测量测量的温漂反馈温漂反馈装置，其特征在于，所述FP标准具包括进气阀、出气阀以及两片平行设置的第一高反射镜和第二高反射镜。

3.根据权利要求1所述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，其特征在于，所述第一分束镜和所述第二分束镜采用二向色分束镜。

4.根据权利要求1所述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，其特征在于，所述第一匀光片和所述第二匀光片采用毛玻璃、全系扩散片、积分棒或微透镜阵列。

5.根据权利要求1所述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，其特征在于，还包括平板玻璃，所述待测激光器发出的待测激光通过所述平板玻璃照射所述第一匀光片。

6.根据权利要求5所述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，其特征在于，所述平板玻璃的材料采用氟化钙或熔石英。

7.根据权利要求1所述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，其特征在于，所述成像单元采用CCD相机。

8.一种激光器中心波长测量的温漂反馈的温漂反馈方法，其特征在于，应用在如权利要求1至7中任一项所述的激光器中心波长测量的温漂反馈装置，所述方法包括：

获取干涉条纹中的峰值位置以及偏转角，所述偏转角为峰值位置光线与会聚镜中心线之间夹角，所述峰值位置r满足第一关系为；

其中λ为待测激光器输出波长，n为FP标准具内气体的折射率，d为FP标准具的间距，m为干涉条纹的级次，f为会聚镜的焦距；

获取FP标准具的漂移量，所述漂移量满足第二关系，所述第二关系为：

获取参考激光器的中心波长λ_r，当Δn＝0根据所述第二关系，得到第三关系：

根据所述第三关系和所述参考激光器的干涉条纹位置得到第四关系，由所述第四关系确定所述待测激光器的中心波长，所述第四关系为：