CN111006776A - 基于原子吸收的fp波长计温漂校准装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置，包括：检测模块，用于测量激光器产生的激光光束的中心波长并获取FP波长计测量所述激光光束过程中产生的温漂校准数据；以及控制器，用于根据温漂校准数据，计算得到温漂校准参数，根据温漂校准参数调整激光光；检测模块包括阴极灯、光强探测器等装置。阴极灯和光强探测器能够得到中心波长的漂移量以及设在FP标准具上的温度传感器测得的FP标准具的温度和温度导数，检测模块将测得的多组温漂校准数据传至控制器，控制器进而得到温漂校准参数，并根据温漂校准参数调控线宽压窄模块来对激光器的激光光束中心波长进行控制，解决了FP标准具测量中心波长带来的误差，维持激光器中心波长稳定。

Description

基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置和方法

技术领域

本发明涉精密测量领域，具体涉及一种基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置和方法。

背景技术

在半导体芯片加工领域，随着对IC芯片特征尺寸要求越来越小，对光刻机性能要求也越来越高，为了实现更细的线条，需要光刻机采用的光源的中心波长越来越短。目前在芯片加工领域，准分子激光器因其能量大、线宽窄、波长短，是半导体光刻的理想光源，最常用的有KrF准分子激光器和ArF准分子激光器，它的中心波长分别为248nm和193nm。

在光刻机曝光过程中要求准分子激光器的波长保持稳定，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。对于110nm工艺节点，要求激光器的波长稳定性高于0.05pm，而对于28nm工艺节点，要求激光器的波长稳定性高于0.03pm。为了得到稳定的中心波长，准分子激光器中通过内部的检测模块实时测量激光器的中心波长，并通过调整线宽压窄模块中的光栅角度，使激光器的中心波长保持恒定。因此对在线检测模块的中心波长测量精度要求很高。

测量准分子激光器中心波长的方法主要有中阶梯光栅法(US 4391523，US6717670)和Fabry-Perot标准具(以下简称FP标准具)法，在专利US 4391523中，采用中阶梯光栅测量激光器中心波长，中阶梯光栅衍射级次高，有很高光谱分辨率，可以实现高精度的中心波长测量，然而中阶梯光栅光谱仪体积庞大，不适合用于激光器中心波长的在线测量，一般用于离线测量。而FP标准法，因为体积比较小，光谱分辨率高，是准分子激光器在线测量中心波长的理想选择，(如专利US6480275，US6539046)，激光器经过FP标准具后，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。

在FP标准具测量准分子激光器中心波长时，FP标准具在受到激光器的照射后，其参数(内部气体折射率，反射镜间距等)会发生改变，从而引起中心波长测量结果的温度漂移，可以通过采用实时测量FP标准具温度进行反馈(如专利EP0801829B1，US6667804)，对中心波长测量结果进行修正，该方法可以很好的解决FP温度漂移问题，但如何精确得到FP标准具的温漂校准参数成为关键，通常在激光器出厂之前，使用标准光源(如稳频激光器等)进行校准，得到FP标准温漂校准参数，然而该方法存在着两个问题，一是稳频激光器波长稳定度，会造成校准参数的偏离。二是，激光器出厂以后，使用一段时间后，随着FP标准具的使用，其温漂属性会发生改变，无法实现在线校准，如果还使用原来的校准参数，校准后的中心波长与实际值存在比较大的偏差，对光刻机的曝光质量产生较大影响。

鉴于此，为了提高准分子激光器中心波长长期稳定度，解决检测模块FP标准具测量中心波长时，温漂校准参数发生变化的问题，用于FP标准具温漂校准参数离线和在线校准，提出一种基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置和方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置和方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置，所述温漂校准装置包括：

检测模块，用于测量激光器产生的激光光束的中心波长并获取FP波长计测量所述激光光束过程中产生的温漂校准数据；

以及控制器，用于根据所述温漂校准数据，计算得到温漂校准参数，根据所述温漂校准参数调整激光光；

其中，所述检测模块包括：

第一分束镜，所述第一分束镜设于所述激光器发射出的激光光束路径上，用于将所述激光光束分成第一激光光束和第二激光光束；

阴极灯，含有金属原子，用于吸收特定波长的激光能量，

光强探测器，用于检测所述第一激光光束穿过阴极灯后的能量变化，

控制器计算所述光强探测器探测到的最小能量值；

FP波长计，用于将所述第二激光光束形成干涉条纹；

成像元件，用于接收并显示所述FP波长计产生的所述干涉及条纹；

控制器用于根据所述干涉条纹计算对应光强探测器能量值最小时刻的激光器中心波长，并计算中心波长与理论中心波长相比的中心波长漂移量；

以及温度传感器，设于所述FP标准具上，用于实时记录所述FP标准具的温度和温度导数变化。

可选地，所述检测模块还包括：

第二分束镜，所述第二分束镜和所述第一分束镜平行设置，所述第二分束镜设于所述激光器的激光出射口前，用于反射所述激光光束并使所述反射激光光束进入所述第一分束镜；

光学整形组件，用于对所述激光路径上的光束进行整形。

可选地，所述第一分束镜和所述第二分束镜的表面为不镀膜的平板玻璃，所述第一分束镜和所述第二分束镜为CaF2或熔石英材料。

可选地，当所述激光器的激光光源为KrF时，所述阴极灯为Fe灯；当所述激光器的激光光源为ArF时，所述阴极灯为Pt灯。

可选地，所述光整形组件包括：

会聚镜，所述会聚镜设于FP标准具和所述成像元件之间，用于将所述干涉条纹会聚到所述成像元件上；

匀光镜，设于所述FP标准具光线入射路径前，用于将所述第二激光光束均匀射入所述FP标准具中；及

反射镜，所述反射镜设于所述会聚镜和所述成像元件之间，表面镀高反膜，用于反射所述干涉条纹。

可选地，所述温度参数校准数据包括所述FP标准具的温度，温度导数和中心波长漂移量，所述控制器通过线性拟合法或最小二乘法计算得出温漂校准参数。

本发明还提供了一种激光器中心波长测量用FP标准具温漂参数校准方法，所述校准方法用于上述任一所述的基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置，所述校准方法包括以下步骤：

S1：所述检测模块将激光器产生的激光分成两束；

检测所述第一激光光束穿过阴极灯后的能量变化，计算所述光强探测器探测到的最小能量值；

所述第二激光光束形成干涉条纹；接收并显示所述FP波长计产生的所述干涉及条纹；根据所述干涉条纹计算对应光强探测器能量值最小时刻的激光器中心波长λv，并计算中心波长λv与理论中心波长λth相比的中心波长漂移量dλ，dλ＝λth-λv；

通过所述温度传感器记录所述FP标准具的温度T和计算所述温度T的温度导数dT/dt；S2:重复步骤S1，得到多组温漂校准数据；

S3：所述控制器接收并存储多组所述温漂校准数据，并根据温漂校准数据，计算温漂校准参数k₁,k₂,k₀，方程满足：

其中，T为所述标准具温度、dT/dt为所述标准具温度T的温度导数和dλ为波长漂移量；

S4：所述控制器根据所述温漂校准参数，调整激光光源的中心波长。

可选地，根据温漂校准数据，计算温漂校准参数具体为：

通过线性拟合法或最小二乘法计算得出温漂校准参数。

可选地，在步骤S3之前还包括以下步骤：

调整所述激光器工作参数，重复步骤S1，得到激光器不同工作状态下多组温漂校准数据；

所述激光器工作参数包括激光频率和Burst模式参数。

可选地，所述步骤S1中还包括调整所述激光器波长在理论中心波长附近扫描，并通过所述光强探测器记录每个波长对应的能量值。

本发明的有益效果在于提供了一种基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置和方法，通过检测模块中的阴极灯和光强探测器能够得到中心波长的漂移量以及设在FP标准具上的温度传感器测得的FP标准具的温度和温度导数，检测模块将测得的多组温漂校准数据传至控制器，控制器通过最小二乘法或者线性拟合法在线得到最后的温漂校准参数，并根据温漂校准参数调控线宽压窄模块来对激光器的激光光束中心波长进行控制，继而解决了FP标准具测量中心波长带来的误差，维持激光器中心波长稳定。本装置和方法可以在线对FP标准具温漂参数进行校准，可以实现激光器长期中心波长稳定性和准确性。

附图说明

图1是本发明实施例的基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置的原理图；

图2是本发明实施例的基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置结构图；

图3是本发明实施例的中心波长测量用FP标准具温漂参数在线校准流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

图1展示了本发明实施例的激光器FP标准具的原理图。FP标准具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％。激光器的激光光束入射到FP标准具上，被高反膜多次反射，经过会聚镜，在成像元件得到干涉条纹，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，

而当FP标准具受到激光器照射后，n和d会发生改变，引起波长的漂移可以表示为：

通过校准装置，实际测量T和dT/dt和dλ，得到如下式：

通过最小二乘法或者线性拟合法，即可得到温漂校准参数(k1,k2,k0)。

请参阅图2，图2展示了本发明实施例的激光器FP标准具温漂参数校准装置结构图。如图2所示，准分子激光器1出射激光光束入射到检测模块3中，被检测模块3中的第二分束镜5反射到第一分束镜6上，第二分束镜5和第一分束镜6均为CaF2或熔石英材料，为平行平板玻璃，表面不镀膜，经过第一分束镜6反射的第一激光光束进入阴极灯12中，穿过阴极灯12照射到光强探测器13上，当激光器为KrF时，空心阴极灯一般采用Fe灯，其吸收峰为248.32710nm，当激光器为ArF时，空心阴极灯一般采用Pt灯，其吸收峰为193.43690nm，光强探测器13用于检测穿过阴极灯的第一激光光束的发射谱线的激光能量变化；透过第二分束镜6的第二激光光束进入匀光镜7，经过匀光镜7后均匀进入FP标准具8，FP标准具8上的温度传感器14实时记录FP的温度和温度变化并将温度T和温度导数dT/dt传输至控制器4；经过FP标准多次反射后将第二激光光束形成干涉条纹，干涉条纹通过会聚镜9会聚后，会聚镜9将光束会聚到相机11上，在相机11上就得到FP标准具干涉条纹，相机11可以为紫外CCD或者CMOS。控制器根据相机显示的干涉条纹的位置分布，通过公式

计算得到激光器的中心波长。

为了减少体积，光路上可以设置反射镜10反射，反射镜10上面镀高反膜，反射镜10可以设于会聚镜9和相机11之间，也可以设于光路上其他适宜位置。

其中，由于FP标准具在激光照射时存在测量误差，因此，控制器计算经过阴极灯12后，光强探测器13探测到的激光光束的最小能量值Ev，并计算与最小能量值Ev对应时刻的激光器中心波长λv，与激光器理论中心波长λth相比，中心波长漂移量dλ为λth-λv的绝对值。

控制器4得到温度漂移数据(T，dT/dt，dλ)，调整激光器1工作状态，如重复频率，Burst模式等参数，测量激光器所有工作状况下的温漂校准数据，这样就得到n组温度漂移数据。然后带入公式(3)，根据最小二乘法和线性拟合法，得到FP标准具温漂校准参数(k₁,k₂,k₀)。

本激光器FP标准具温漂参数校准装置的校准方法，包括以下步骤：

在步骤S1中，检测模块将激光器产生的激光分成两束；

检测所述第一激光光束穿过阴极灯后的能量变化，计算所述光强探测器探测到的最小能量值；

所述第二激光光束形成干涉条纹；接收并显示所述FP波长计产生的所述干涉及条纹；根据所述干涉条纹计算对应光强探测器能量值最小时刻的激光器中心波长λv，并计算中心波长λv与理论中心波长λth相比的中心波长漂移量dλ，dλ＝λth-λv；

通过所述温度传感器记录所述FP标准具的温度T和计算所述温度T的温度导数dT/dt；在步骤S2中，重复步骤S1，得到多组温漂校准数据；

在步骤S3中，所述控制器接收并存储多组所述温漂校准数据，并根据温漂校准数据，计算温漂校准参数k₁,k₂,k₀，方程满足：

其中，T为所述标准具温度、dT/dt为所述标准具温度T的温度导数和dλ为波长漂移量；

在步骤S4中，所述控制器根据所述温漂校准参数，调整激光光源的中心波长。

可选地，根据温漂校准数据，计算温漂校准参数具体为：通过线性拟合法或最小二乘法计算得出温漂校准参数。

在步骤S3之前还包括以下步骤：

调整所述激光器工作参数，重复步骤S1，得到激光器不同工作状态下多组温漂校准数据；所述激光器工作参数包括激光频率和Burst模式参数。

所述步骤S1中还包括调整所述激光器波长在理论中心波长附近扫描，并通过所述光强探测器记录每个波长对应的能量值。

图3展示了本发明实施例的激光器中心波长测量用FP标准具温漂参数在线校准流程图。如图3所示，以KrF激光器为例，温漂参数校准时，打开激光器，将波长调到248.3271nm附近，让激光器波长从λ1到λ2扫描，λ1小于248.3271nm 5pm左右，λ2大于248.3271nm 5pm左右，当激光器波长扫描时，光强探测器13探测经过阴极灯的激光光束的的能量变化情况，控制器计算光强探测器探测到的最小能量值Ev，控制器计算对应光强探测器能量最小值时刻的激光器中心波长λv，记录此时FP波长计的温度T和温度导数dT/dt，计算中心波长λv与理论上吸收峰值λth的偏差，也就是与248.3271nm的偏差，得到波长漂移量dλ，此时就得到了一组温漂校准数据(T1,dT/dt1,dλ1)，重复上述过程，记录多组数据，同时，调整激光器工作状态，如重复频率，Burst模式等参数，测量激光器所有工作状况下的温漂校准数据，这样就得到n组校准数据(T1,dT/dt1,dλ1，T2,dT/dt2,dλ2，……，Tn,dT/dtn,dλn)，将其带入方程式(3)，通过最小二乘法或者线性拟合法即可得到FP标准温漂校准参数。整个过程如图3所示。

本申请的温漂参数校准方法不仅可以用于FP标准具温漂参数的离线校准，因为不引入新的硬件，还可以用于在线校准。

采用该方法进行激光器参数修正，可以直接从根本上去除FP标准具温漂反馈模型带来的误差，而且可以保持激光器中心波长长期稳定性。

本专利中装置和方法以准分子激光器为例，但不限于此，可以用于任何类型的激光器，用于激光器波长校准和波长的精确测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于原子吸收的FP波长计温漂校准装置，其特征在于，所述温漂校准装置包括：

检测模块，用于测量激光器产生的激光光束的中心波长并获取FP波长计测量所述激光光束过程中产生的温漂校准数据；

以及控制器，用于根据所述温漂校准数据，计算得到温漂校准参数，根据所述温漂校准参数调整激光光；

其中，所述检测模块包括：

第一分束镜，所述第一分束镜设于所述激光器发射出的激光光束路径上，用于将所述激光光束分成第一激光光束和第二激光光束；

阴极灯，含有金属原子，用于吸收特定波长的激光能量，

光强探测器，用于检测所述第一激光光束穿过阴极灯后的能量变化，

控制器计算所述光强探测器探测到的最小能量值；

FP波长计，用于将所述第二激光光束形成干涉条纹；

成像元件，用于接收并显示所述FP波长计产生的所述干涉及条纹；

控制器用于根据所述干涉条纹计算对应光强探测器能量值最小时刻的激光器中心波长，并计算中心波长与理论中心波长相比的中心波长漂移量；

以及温度传感器，设于所述FP标准具上，用于实时记录所述FP标准具的温度和温度导数变化。

2.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述检测模块还包括：

第二分束镜，所述第二分束镜和所述第一分束镜平行设置，所述第二分束镜设于所述激光器的激光出射口前，用于反射所述激光光束并使所述反射激光光束进入所述第一分束镜；

光学整形组件，用于对所述激光路径上的光束进行整形。

3.如权利要求2所述的校准装置，其特征在于，所述第一分束镜和所述第二分束镜的表面为不镀膜的平板玻璃，所述第一分束镜和所述第二分束镜为CaF2或熔石英材料。

4.如权利要求3所述的校准装置，其特征在于，当所述激光器的激光光源为KrF时，所述阴极灯为Fe灯；当所述激光器的激光光源为ArF时，所述阴极灯为Pt灯。

5.如权利要求4所述的校准装置，其特征在于，所述光整形组件包括：

会聚镜，所述会聚镜设于FP标准具和所述成像元件之间，用于将所述干涉条纹会聚到所述成像元件上；

匀光镜，设于所述FP标准具光线入射路径前，用于将所述第二激光光束均匀射入所述FP标准具中；及

反射镜，所述反射镜设于所述会聚镜和所述成像元件之间，表面镀高反膜，用于反射所述干涉条纹。

6.如权利要求1-5任一项所述的校准装置，其特征在于，所述温度参数校准数据包括所述FP标准具的温度，温度导数和中心波长漂移量，所述控制器通过线性拟合法或最小二乘法计算得出温漂校准参数。

7.一种激光器中心波长测量用FP标准具温漂参数校准方法，其特征在于，所述温漂参数校准方法用于权利要求1-6任一所述温漂参数校准装置，所述温漂参数校准方法包括以下步骤：

S1：检测模块将激光器产生的激光分成两束；

检测所述第一激光光束穿过阴极灯后的能量变化，计算所述光强探测器探测到的最小能量值；

所述第二激光光束形成干涉条纹；接收并显示所述FP波长计产生的所述干涉及条纹；根据所述干涉条纹计算对应光强探测器能量值最小时刻的激光器中心波长λv，并计算中心波长λv与理论中心波长λth相比的中心波长漂移量dλ，dλ＝λth-λv；

通过所述温度传感器记录所述FP标准具的温度T和计算所述温度T的温度导数dT/dt；S2:重复步骤S1，得到多组温漂校准数据；

S3：所述控制器接收并存储多组所述温漂校准数据，并根据温漂校准数据，计算温漂校准参数k₁,k₂,k₀，方程满足：

其中，T为所述标准具温度、dT/dt为所述标准具温度T的温度导数和dλ为波长漂移量；

S4：所述控制器根据所述温漂校准参数，调整激光光源的中心波长。

8.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于：

根据温漂校准数据，计算温漂校准参数具体为：

通过线性拟合法或最小二乘法计算得出温漂校准参数。

9.如权利要求7或8所述的校准方法，其特征在于：

在步骤S3之前还包括以下步骤：

调整所述激光器工作参数，重复步骤S1，得到激光器不同工作状态下多组温漂校准数据；

所述激光器工作参数包括激光频率和Burst模式参数。

10.如权利要求9所述的校准方法，其特征在于，

所述步骤S1中还包括调整所述激光器波长在理论中心波长附近扫描，并通过所述光强探测器记录每个波长对应的能量值。

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