CN111176075A - 偏振像差检测装置、物镜测试台及光刻设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种偏振像差检测装置、物镜测试台及光刻设备，包括沿光束传播方向依次设置的照明单元、起偏单元、被测单元以及检偏单元；所述起偏单元包括支撑组件和多个起偏组件；所述支撑组件不透光；多个所述起偏组件镶嵌在所述支撑组件内并且呈n行m列排布，其中，n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数；同一列中，至少四个所述起偏组件形成的光线的偏振态互不相同，起偏组件用于调制照明单元出射的光的偏振态,以使经多个起偏组件后入射至被测单元的光具有不同的相位和振幅二向衰减。本发明提供的偏振像差检测装置，避免了干涉条纹状噪音的产生，减低了偏振像差检测装置的制备成本，提高了偏振像差检测装置的测量精度。

Description

偏振像差检测装置、物镜测试台及光刻设备

技术领域

本发明实施例涉及光学测量技术，尤其涉及一种偏振像差检测装置、物镜测试台及光刻设备。

背景技术

光刻是半导体制造过程中一道非常重要的工序，它是将一系列掩模版上的图案转移至硅片相应层上的工艺，是集成电路制造的核心步骤。

随着科技的发展，光刻机中投影物镜的数值孔径不断提高。投影物镜数值孔径的提高，一方面提高了光刻机的分辨率，另一方面使得偏振对成像系统的影响变得不可忽略，数值孔径的提高使得投影物镜像方的光束中p光成像对比度下降，而s光的成像对比度不受数值孔径的影响。为了提高成像对比度，照明会采取环形光照明，使通过物镜、在硅片面的光束的偏振态保持为s光。这就要求物镜对偏振的改变很小，所述偏振的改变量被命名为偏振像差。因此需要设计偏振像差检测装置，测出投影物镜的琼斯光瞳或穆勒光瞳数值，确保投影物镜镜片及其镀膜的设计符合要求，从而解决高数值孔径条件下的成像问题。

在刊登于Proc.of SPIE Vol.7640中的名为In-situ Mueller matrixpolarimetryof projection lenses for 193-nm lithography的论文中，给出了测量物镜偏振像差的物面设计，像面设计，评估偏振测量值的穆勒矩阵的公式推导，以及实验测得的数据。其中物面设计包含偏振态调制单元的设计和该单元在掩模版上的布局实物图，其中每个单元由一块宽角度波片和一块宽角度薄型偏振片构成。这种方法的缺点是宽角度偏振波片和宽角度薄型偏振片需要特殊订制，成本较高，且宽角度薄型偏振片会引起干涉条纹状噪音，影响偏振像差的测试精度。

发明内容

本发明提供一种偏振像差检测装置、物镜测试台及光刻设备，无需采用宽角度偏振波片和宽角度薄型偏振片，避免了干涉条纹状噪音的产生，减低了偏振像差检测装置的制备成本，提高了偏振像差检测装置的测量精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种偏振像差检测装置，包括沿光束传播方向依次设置的照明单元、起偏单元、被测单元以及检偏单元；

所述起偏单元包括支撑组件和多个起偏组件；

所述支撑组件不透光；

多个所述起偏组件镶嵌在所述支撑组件内并且呈n行m列排布，其中，n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数；

同一列中，至少四个所述起偏组件形成的光线的偏振态互不相同。

第二方面，本发明实施例提供了一种偏振像差检测装置，包括沿光束传播方向依次设置的照明单元、起偏单元、被测单元以及检偏单元；

所述起偏单元包括支撑组件和多个起偏组件；

所述支撑组件不透光；

多个所述起偏组件镶嵌在所述支撑组件内并且呈n行m列排布，其中，n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数；

同一列中，至少四个所述起偏组件形成的光线的偏振态互不相同；

所述起偏组件用于调制所述照明单元出射的光的偏振态,以使经多个所述起偏组件后入射至所述被测单元的光具有不同的相位和振幅二向衰减。

第三方面，本发明实施例提供了一种物镜测试台，包括本发明实施例提供的任意一种所述的偏振像差检测装置。

第四方面，本发明实施例提供了一种光刻设备，包括本发明实施例提供的任意一种所述的偏振像差检测装置。

本发明实施例通过设置所述支撑组件不透光；多个所述起偏组件镶嵌在所述支撑组件内并且呈n行m列排布，其中，n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数；同一列中，至少四个所述起偏组件形成的光线的偏振态互不相同，以使经多个起偏组件后入射至被测单元的光具有不同的相位和振幅二向衰减，使得偏振像差检测装置能够采用常规偏振片和波片，无需采用宽角度偏振波片和宽角度薄型偏振片，进而避免了干涉条纹状噪音的产生，减低了偏振像差检测装置的制备成本，提高了偏振像差检测装置的测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种偏振像差检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种起偏单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种起偏组件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种起偏组件在工作时的原理图；

图5为图3中起偏组件出射位置处的局部放大图；

图6为本发明实施例提供的另一种起偏组件的结构示意图；

图7为对表1中提供的起偏组件进行仿真测试时得到的其物方和像方的远心度随物方高度变化关系的示意图；

图8为对表1中提供的起偏组件进行仿真测试时得到的不同物高下的像差曲线分布图；

图9为本发明实施例提供的又一种起偏组件的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的又一种起偏组件的结构示意图；

图11是本发明实施例提供的另一种起偏单元的结构示意图；

图12是本发明实施例提供的另一种起偏单元的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种起偏单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种偏振像差检测装置的结构示意图。图2为本发明实施例提供的一种起偏单元的结构示意图。参见图1和图2，该偏振像差检测装置包括沿光束I0传播方向依次设置的照明单元1、起偏单元2、被测单元3以及检偏单元4。起偏单元2包括支撑组件21和多个起偏组件22。支撑组件21不透光，多个起偏组件22镶嵌在支撑组件21内并且呈n行m列阵列结构排布，其中n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数(示例性地，图1中n＝4，m＝3)；同一列中，至少四个起偏组件22形成的光线的偏振态互不相同。

继续参见图2，支撑组件21包括照明区域201和非照明区域202，各起偏组件22均分布在照明区域201中。其中照明区域201是指从照明单元1出射的光线能够照射到的区域。

上述技术方案通过设置支撑组件21不透光，多个起偏组件22镶嵌在支撑组件21内并且呈n行m列阵列结构排布，其中n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数；同一列中，至少四个起偏组件22形成的光线的偏振态互不相同；实质是使得从照明单元1的出射的光线(以下简称照明光线)仅能从起偏组件22穿过起偏单元2，并且照明光线经起偏组件22形成具有偏振态的光线；利用位于同一列的各起偏组件22实现对同一视角的偏振像差进行检测。并且当m为大于1的正整数时，设置多列以实现对多个视角的偏振像差同时进行检测。

上述技术方案使经多个起偏组件后入射至被测单元的光具有不同的相位和振幅二向衰减，进而偏振像差检测装置能够采用常规偏振片和波片，无需采用宽角度偏振波片和宽角度薄型偏振片，避免了干涉条纹状噪音的产生，减低了偏振像差检测装置的制备成本，提高了偏振像差检测装置的测量精度。

在上述技术方案的基础上，起偏组件用于调制照明单元出射的光的偏振态,以使经多个起偏组件后入射至被测单元的光具有不同的相位和振幅二向衰减。

需要说明的是，这样的设置使得偏振像差检测装置能够检测被测单元的相位和振幅二向衰减这两个偏振特性，而非上述两个偏振特征中的一个，进而提升了偏振像差检测装置的检测范围，使得检测数据更全面更准确。

在上述技术方案的基础上，可选地，以行方向为X轴方向，以列方向为Y轴方向，以该支撑组件的几何中心为坐标原点，建立直角坐标系；同一列中，各起偏组件出光位置对应同一X坐标。这样同一列起偏组件用于对同一视角的偏振像差进行检测。

进一步地，多个起偏组件排布的m列为非等间距排列，其中m为大于或等于2的正整数。这样设置，起偏单元2在旋转180°前后，可以生成不同的视场点对应的偏振态。在实际设置，可选地，任意相邻两列起偏组件之间的距离可以均不相同，也可以部分相同，部分不同，本申请对此不作限制。

在实际设置时，上述技术方案中起偏组件的设置方法有多种。可选地，起偏组件包括反射元件、汇聚元件、偏振元件以及四分之一波片。

下面提供几种典型示例，但不构成对本申请的限制。

图3为本发明实施例提供的一种起偏组件的结构示意图。参见图3，照明单元出射的光束具有数值孔径，该起偏组件还包括出光小孔2217，出光小孔2217位于支撑组件21(图3中未示出)出光面上；反射元件包括第一反射结构2211和第二反射结构2216，汇聚元件包括第一汇聚透镜组和第二汇聚透镜组，偏振元件为偏振棱镜2213；第一反射结构2211、第一汇聚透镜组、偏振棱镜2213、四分之一波片2214、第二汇聚透镜组、第二反射结构2216以及出光小孔2217沿光束传播方向依次设置。

图3中提供的起偏组件主要有以下几方面有益效果。

第一、在使用时，无需调节照明单元1出射光束的数值孔径，利用第一汇聚透镜组使从照明单元1的出射的光线变为准平行光，照射到偏振棱镜2213上，并且使通过偏振棱镜2213的出射光汇聚为和照明光线具有相同数值孔径的光线以便进入被测单元3。这样设置对构成起偏组件22中各光学器件的设计要求低，易于实现。

第二，在该起偏组件22内，沿光束的转播方向偏振棱镜位于四分之一波片前，如此设置，可以使偏振像差检测装置同时测量由双折射和振幅二向衰减导致的偏振像差，即两个正交方向上的光的相位差和振幅差，提高了偏振像差的检测精度。

第三，上述起偏组件22中，利用第一反射结构2211和第二反射结构2216形成折反射式的光路结构把对垂直方向(即图3中Z轴方向，也即起偏单元2厚度方向)的空间需求转换到水平方向(即图3中Y轴方向)上。由于在实际设置时，水平方向的空间本就比垂直方向的空间宽松，这样设置可以进一步降低起偏组件22的制作难度。

第四、上述起偏组件22不需要在电机的控制下工作，因此不需要额外设置电机和电气控制模块，更不会因电机和电气控制模块工作带来散热问题，影响偏振像差的检测精度。

第五、上述起偏组件22中利用了偏振棱镜2213，而不是吸收式的偏振薄片，不会产生干涉条纹这类噪音，从而提高偏振像差的检测精度。

图4为本发明实施例提供的一种起偏组件在工作时的原理图。以利用包括上述偏振像差检测装置的光刻设备对投影物镜(作为被测单元)的偏振像差进行检测为例进行说明。需要说明的是，起偏单元2仅用于对投影物镜的偏振像差进行检测。在实际光刻过程中，并不使用起偏单元2，而是利用掩模版代替起偏单元2，实现光刻。

参见图1和图4，在光刻过程中，利用掩模版代替起偏单元2，照明光束投射到掩模版的物方，使得从掩模版底面RB出射的光束具有一定的数值孔径。在照明设计中，掩模版底面RB具有最大面积的光强均匀区，所以可以简化地认为照明光束由排布密集的具有相同数值孔径的小光锥组成，理想情况下每个小光锥的主光轴CR互相平行，并且它们聚焦在掩模版底面RB。

在对投影物镜的偏振像差进行检测时，利用起偏单元2占据光刻机中原掩模版的位置，由于起偏单元2与原掩模版的材质不同，原本聚焦在掩模版底部RB的光束，在空气中的焦面会沿着如图4中的Z轴逆方向(即向左)移动至平面FP。示例性地，原掩模版沿Z轴方向的厚度为6.35毫米，由融石英制造而成，在波长为193.368纳米的照明光源下，折射率为1.56，照明光束的数值孔径为0.3375。照明光束的传播媒介在由融石英变换为空气后，照明单元出射的单个小光锥的焦点，即最大面积的光强均匀面会沿Z轴逆方向移动2.43毫米。当照明光束的数值孔径改变时，最大面积的光强均匀面FP会沿Z轴逆方向移动距离相应发生变化。

基于上述原因，为了使检测出的投影物镜的偏振像差能精确地在实际光刻生产硅片图案中被补偿，需要尽量使得光线在经过起偏单元2的光路与经过掩模版后的光路尽量一致。这就要求在利用起偏单元2代替掩模版时，在起偏单元2内部的光路设计中，需最大程度的维持照明单元1和被测单元3之间的光路。为此，需要保证起偏单元2出射光的数值孔径和入射光的数值孔径一致，且每个起偏组件22的光线出射位置在掩模版底部RB，并且起偏组件22的光路具有尽量小的远心度。

在起偏组件22的光路中，出射光的数值孔径和入射光的数值孔径一致时，为了保证出射光相对于入射光的远心度，光路设计需有如下特征：当第一汇聚透镜和第二汇聚透镜为理想旁轴透镜时，第一汇聚透镜组包括第一汇聚透镜2212，和第二汇聚透镜组包括第二汇聚透镜2215；在不考虑偏振棱镜2213和四分之一波片2214的前提下，第一汇聚透镜2212和第二汇聚透镜2215的焦距相等，且在起偏组件22中，第一汇聚透镜2212靠近第二汇聚透镜2215一侧的焦点和第二汇聚透镜2215靠近第一汇聚透镜2212一侧的焦点重合，如图3所示。

需要说明的是，若考虑偏振棱镜2213和四分之一波片2214的折射率，由于偏振棱镜2213和四分之一波片2214依次放置在第一汇聚透镜2212和第二汇聚透镜2215之间。由于可用于制作偏振棱镜2213的材料的折射率均大于空气的折射率，因此在偏振棱镜2213中的第一汇聚透镜2212靠近第二汇聚透镜2215一侧的焦距和第二汇聚透镜2215靠近第一汇聚透镜2212一侧的焦距会比在空气中的第一汇聚透镜2212背离第二汇聚透镜2215一侧的焦距及第二汇聚透镜2215背离第一汇聚透镜2212一侧的焦距长。

利用第一反射结构2211和第二反射结构2216与第一汇聚透镜2212、偏振棱镜2213、四分之一波片2214以及第二汇聚透镜2215相互配合，使得在起偏组件22中光路呈折反射式，并设置入射位置F在Z轴方向上的坐标值小于出射位置(即出光小孔2217位置)在Z轴方向上的坐标值。这样可以使得起偏组件22的光线出射位置在掩模版底部RB(图3中未示出)。并且这样设置可以缩小光路结构对垂直方向的空间需求。示例性地，若照明光线的数值孔径NA为0.3375，可以设置出射位置在Z轴方向上的坐标值与入射位置F在Z轴方向上的坐标值之差为2.43mm。

图5为图3中起偏组件出射位置处的局部放大图。参见图3和图5，由于起偏单元对入射光束的角度敏感，在起偏组件22的出光处设置出光小孔2217，可以使得只有小角度偏离垂直入射起偏单元的光束通过出光小孔2217，以使出射光的具有尽量小的远心角。

在本实施例中，第一汇聚透镜组和第二汇聚透镜组可以是单块镜片也可以是多块镜片组成的透镜组。本申请对比不作限制。

图6为本发明实施例提供的另一种起偏组件的结构示意图。示例性地，在图6中，第一汇聚透镜2212和第二汇聚透镜2215均是单块镜片。在此基础上，可选地，第一汇聚透镜2212和第二汇聚透镜2215为具有正光焦度的透镜，示例性的，该透镜可以为双凸透镜；第一汇聚透镜2212靠近第二汇聚透镜2215的表面的曲率和第二汇聚透镜2215靠近第一汇聚透镜2212的表面的曲率相同；第一汇聚透镜2212背离第二汇聚透镜2215的表面的曲率和第二汇聚透镜2215背离第一汇聚透镜2212的表面的曲率相同；第一汇聚透镜2212和第二汇聚透镜2215中，焦距EFL和孔径D满足关系tan[arcsin(NA)]＝D×EFL/2，其中，NA为从照明单元1出射的光束的数值孔径。这样设置起偏组件22的结构紧凑，能保证出射和入射起偏单元22的NA相等，使检测出的偏振像差能精确地在实际光刻生产硅片图案中被补偿。

在对投影物镜的偏振像差进行检测时，在检测单元4上利用感光元件，例如CCD或CMOS来探测被起偏组件2调制后的光强，并代入算法求得被测物的偏振像差。然而波像差在传播一定距离(大于照明波长的距离)后，会改变光强的分布，形成感光元件上的噪音。为了降低光强探测时的噪音，起偏组件22的波像差需要很小，用于提高偏振像差的检测精度。

典型地，第一汇聚透镜2212和第二汇聚透镜2215均为非球面镜片，用于矫正波像差。非球面用以下公式来描述：

其中，P是拱高函数，h是镜片上的点到光轴的高度，K和C1至Cn是非球面项系数，R是镜片顶点处半径。

可选地，偏振棱镜的分离角可以大于2o。当光束通过所述偏振棱镜后，光束将分为两个方向传播，其中一个方向光束携带期望偏振态，另一个方向的光携带的偏振态与期望偏振态正交，这两个传播方向的光束夹角为分离角。这样设置的好处是携带不需要的偏振态的光会从侧面通过，不会再经过第二汇聚镜，不会引起偏振态的串扰问题；而且相比与吸收式薄型偏振态，既没有吸热的问题，不会带来光强的不稳定引起的噪音，可以使得生成的偏振态稳定存在，同时不会产生干涉条纹这类噪音，从而提高偏振像差的检测精度。

示例性的，偏振棱镜2213为格兰泰勒(Glan-Taylor)棱镜或格兰-傅科(Glan-Foucault)棱镜。这样设置的好处是不需要的正交偏振态的光会从其侧面折射出，没有吸热的问题，可以使得生成的偏振态稳定存在。

下面以波长为193.368nm的照明光束，出射光的数值孔径和入射光的数值孔径均为0.3375，物方(即入射位置F)和像方(出光小孔2217位置)有效焦距为368mm为例进行说明。针对于上述条件，可选地，设置如图6所示的起偏组件,其中第一汇聚透镜2212和第二汇聚透镜2215由一块准直镜片构成，该准直镜片能使数值孔径小于0.3375的发散光转换为平行光；并且该准直镜片的F数为1.396，其中F数表示为镜片的有效焦距和通光孔径的比值；第一出光小孔2217的直径为50μm。图6所示的起偏组件中各光学元件的参数值由表1给出。在表1中，“序号”一栏表示从入射到出射起偏组件中各光学元件每一个表面所对应的序号，其中表面2和表面11为反射表面，分别对应第一反射镜2211和第二反射镜2216，其余为透射表面；“表面性质”一栏说明该表面是球面还是非球面；“半径”一栏给出了每个表面的球面半径，表中也给出了非球面的参数值；“厚度/间距”一栏表示相邻表面之间的顶点距离，在光学元件中该数值表示厚度,其中负值是由于通过反射镜后，沿反射光方向传播的距离为负值；“材料”一栏给出了该行到下一行之间的材料，每个材料的折射率在表中给出；“1/2孔径”给出了每个表面所对应的同光孔径一半的大小；“绕x轴旋转°”一栏给出了光路相对于光轴的旋转角度，其中沿顺时针方向旋转的角度为负值。

表1

图7为对表1中提供的起偏组件进行仿真测试时得到的其物方和像方的远心度随物方高度变化关系的示意图。参见图3，其中物方高度是指入射位置F在Y轴上的坐标值。参见图7，起偏组件的物方远心度被设置为照明单元最大远心度3mrad，并且所有不同物方高度情况下的远心偏转都沿同一方向投射在Y轴方向从左至右物方高度从-25μm变化至25μm。可以看出起偏组件的像方最大远心度为-3.06mrad。这说明该起偏组件对像方远心度有很好的控制。图8为对表1中提供的起偏组件进行仿真测试时得到的不同物高下的像差曲线分布图。图8利用CODEV软件进行仿真测试得到。其中各曲线从上至下依次为物高25μm、20μm、15μm、10μm以及0μm在子午(Y-FAN)和弧矢(X-FAN)方向上的几何像差。图8得到该起偏组件在出光小孔直径为50μm允许的物方高度下位于出光处的汇聚点弥散斑半径小于420μm，表明该起偏组件的像差很小，能保证在检测单元上探测到的光强噪音很小，从而提高偏振像差的检测精度。可选地，同一列中，至少四个起偏组件形成的光束的偏振态互不同。示例性地，参见图2，列坐标相同(对应同一视场点)的四个起偏组件中，偏振棱镜和四分之一波片沿着光轴转动的角度的组合均不一致，即生成四种不同的偏振态。实现偏振像差检测，需要输入的偏振态数目至少为4个。可选地，当同于同一视场点，输入的偏振态数目为4个时，为了使得测量误差对偏振像差检测结果影响尽可能小，上述4种偏振态需尽可能分离开；其中偏振态用庞加莱球表面的顶点来描述，和庞加莱球的球心的连线构成矢量，其中矢量的方向为从球心指向球外，偏振态的分离程度用多个矢量间的夹角描述。可选地，这4种偏振态可以用正四面体的顶角在其外接庞加莱球上的位置计算得到，然后转换为偏振棱镜和四分之一波片沿着光轴的不同旋转角度的组合。生成偏振态数目最小为4个的数学证明可以参考D.Layden,M.F.G.Wood和I.A.Vitkin的期刊论文“Optimum selection of inputpolarization states in determining the sample Mueller matrix:a dualphotoelastic polarimeter approach”,Optics Express，2012年8月的第20卷第18期。因此，在被测单元3的物面，生成偏振态的起偏组件最小布局方式为i×4，其中i为视场点的个数。可选地，当偏振态数目大于4时，偏振棱镜和四分之一波片沿着光轴转动的角度的组合可由正多面体或非正多面体的顶角在其外接庞加莱球上的位置计算，具体数学计算可以参考M.R.Foreman等人的期刊论文“Optimal Frames for Polarization StateReconstruction”,Physical Review Letter,2015年的第115卷第26期，以达到测量误差对测量精度影响小的效果，从而提高偏振像差的测量精度。图9为本发明实施例提供的又一种起偏组件的结构示意图。参见图9，该起偏组件22中反射元件为第三反射结构2221，汇聚元件为第三汇聚透镜组2224，偏振元件为五棱镜2222；第三反射结构2221、五棱镜2222、四分之一波片2223以及第三汇聚透镜组2224沿光束传播方向依次设置；五棱镜2222为线偏振光学器件，第三反射结构2221角度设置为使得光束传播方向偏转两倍的布鲁斯特角。

上述技术方案需要将照明光线调节为类平行光，即调节相干度σ的值为0.1或0.1以下，其中相干度σ在此处的定义为照明光线出射数值孔径和被测单元3入射最大数值孔径的比值。

继续参见图9，类平行光入射到第三反射结构2221，第三反射结构2221的角度设置使光线的传播方向偏转两倍的布鲁斯特角，随后光线进入五棱镜2222。经五棱镜2222反射后出射光和照明光线传播的方向一致，出射光随即依次通过四分之一波片2223以及第三汇聚透镜组2224，最终在掩模版底部RB(图9中未示出)位置处汇聚。

示例性地，当入射光的直径为5.12毫米，并且出射光数值孔径为0.3375时，第三汇聚透镜2224的参数可以选择和表1中的序号9和10的非球面参数一致，但需要将半径非球面参数及厚度/间距数值的正负值改变。这样可以使得该起偏组件22的尺寸仅为9(x)×20(y)×20(z)mm3，其可以充分减小在垂直方向的空间需求。

需要说明的是，上述技术方案中第三反射结构2221会改变入射光的偏振态，但是由于后续的五棱镜2222能修正偏振态，因此为了维持偏振态，对第三反射结构2221镀膜的要求不高。

需要说明的是，利用该五棱镜以布鲁斯特角入射，形成的反射光只含s光方向的线偏振。

可选地，在上述技术方案中，第三反射结构2221可以为反射镜。

图10为本发明实施例提供的又一种起偏组件的结构示意图。参见图10，该起偏组件22中，反射元件为第三反射结构2234，汇聚元件为第三汇聚透镜组2233，偏振元件为五棱镜2231；五棱镜2231、四分之一波片2232、第三汇聚透镜组2233以及第三反射结构2234沿光束传播方向依次设置；五棱镜2231为线偏振光学器件，光束以布鲁斯特角入射到五棱镜2231中。

类似地，上述技术方案需要将照明光线调节为类平行光，即调节相干度σ的值为0.1或0.1以下，其中相干度σ在此处的定义为照明光线出射数值孔径和被测单元3入射最大数值孔径的比值。

继续参见图10，类平行光首先经过五棱镜2231，按照布鲁斯特角反射后依次通过四分之一波片2232、第三汇聚透镜组2233，然后通过第三反射结构2234使得出射光的方向和入射光传播方向一致。

示例性地，当入射光的直径为5.12毫米，并且出射光数值孔径为0.3375时，第三汇聚透镜2233的参数也可以选择和表1中的序号9和10的非球面参数一致，但需要将半径非球面参数及厚度/间距数值的正负值改变。这样可以使得该起偏组件22的尺寸充分减小在垂直方向的空间需求。

需要说明的是，利用该五棱镜以布鲁斯特角入射，形成的反射光只含s光方向的线偏振。

可选地，在上述技术方案中，第三反射结构2234可以为反射镜。

在本实施例中，照明单元可以包括衍射片，衍射片用于将照明单元出射的光束的边缘与光轴的夹角调节至小于2o的角度范围内。

需要说明的是，衍射片的位置及功能可以参见中国专利CN101320216A。利用照明单元中的衍射片代替起偏组件中第一汇聚镜，能扩大起偏组件中其他光学元件的空间，这样设置可以进一步降低起偏组件的制作难度。

进一步的，图11是本发明实施例提供的另一种起偏单元的结构示意图。如图11所示，起偏组件22包括沿光束的传播方向依次设置的第三反射结构2241、第一布鲁斯特棱镜2242、四分之一波片2243、第三汇聚透镜2244以及出光小孔2245，光束经第三反射结构2241反射后以布鲁斯特角入射到第一布鲁斯特棱镜2242中，出光小孔2245位于支撑组件的出光面上。

可选的，图12是本发明实施例提供的另一种起偏单元的结构示意图。如图12所示，起偏组件22包括沿光束的传播方向依次设置的第二布鲁斯特棱镜2251、四分之一波片2252、第四汇聚透镜2253、第三反射结构2254以及出光小孔2255，光束以布鲁斯特角入射到第二布鲁斯特棱镜2251中，出光小孔2255位于支撑组件出光面上。

可选地，在上述各技术方案中，第三反射结构2241和第三反射结构2254可以为反射镜；第一布鲁斯特棱镜2242和第二布鲁斯特棱镜2251均可以为线偏振光学元件，例如五棱镜。

需要说明的是，图11和图12中出光小孔的作用与图3中出光小孔的作用相同，具体可参见图3的相关说明，此处不再赘述。可选地，出光小孔2217的直径大于或等于10μm，且小于或等于500μm。图13为本发明实施例提供的另一种起偏单元的结构示意图。图9至图12中提供的起偏组件适合于按照图13中方式布设。参见图13，以行方向为X轴方向，以列方向为Y轴方向，以该支撑组件21的几何中心为坐标原点，建立直角坐标系；同一列中，各起偏组件22出光位置对应同一X坐标；且同一列中，至少四个起偏组件22形成的光束的偏振态互不相同。示例性地，若线偏振光是通过五棱镜或布鲁斯特棱镜生成，需设置五棱镜或布鲁斯特棱镜绕着Z轴(图11中未示出)旋转来改变偏振的方向。每个视场点(相同X坐标)需要至少四种五棱镜或布鲁斯特棱镜和四分之一波片的旋转角度组合，因此每个起偏组件22在支撑组件21上均可以绕着Z轴在0°至180°之间旋转，但需要保证出光位置EP在同一视场点(掩膜板沿Y轴移动时，EP具有相同X坐标)。

可选地，在阵列结构中，存在一列起偏组件22的出光位置EP对应的X坐标均为0。这样可以对中心视场点(X＝0)的偏置像差进行检测。并且同一视场点的围绕着Z轴的角度为0°至180°中的任意一个角度，且所选角度可以重复。

在空间允许的条件下，X轴方向的视场点及Y方向排布的偏振态组合需要尽可能密集。可选地，同一起偏单元2中，除X坐标为0的一列起偏组件22外，其他列起偏组件22在Y轴两侧呈非对称排布。这样通过将该起偏单元2旋转180°，可测量两倍的除中心视场点外的视场点。在被测单元3的物面，生成偏振态的最小布局方式为i×4，其中i为视场点的个数，而i的最小值为1，优选地为中心视场点(X＝0)。

基于相同的发明构思，本申请还提供一种物镜测试台，该物镜测试台包括如本发明实施例提供的任一所述的偏振像差检测装置。由于本申请提供的物镜测试台包括如本发明实施例提供的任一所述的偏振像差检测装置，其具有其所包括的偏振像差检测装置相同或相应的有益效果，此处不再赘述。

基于相同的发明构思，本申请还提供一种光刻设备，该光刻设备包括如本发明实施例提供的任一所述的偏振像差检测装置。由于本申请提供的光刻设备包括如本发明实施例提供的任一所述的偏振像差检测装置，其具有其所包括的偏振像差检测装置相同或相应的有益效果，此处不再赘述。

可选的，光刻设备包括掩膜台和掩膜版，起偏单元与掩膜版的厚度及尺寸相同，在偏振像差检测过程中，起偏单元放置于掩膜台上，在光刻过程中，偏光片放置于掩膜台上。

示例性的，光刻设备还包括投影物镜，上述偏振像差检测装置中的被测单元为该投影物镜。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (25)

1.一种偏振像差检测装置，其特征在于，包括沿光束传播方向依次设置的照明单元、起偏单元、被测单元以及检偏单元；

所述起偏单元包括支撑组件和多个起偏组件；

所述支撑组件不透光；

多个所述起偏组件镶嵌在所述支撑组件内并且呈n行m列排布，其中，n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数；

同一列中，至少四个所述起偏组件形成的光线的偏振态互不相同。

2.根据权利要求1所述的偏振像差检测装置，其特征在于，

以行方向为X轴方向，以列方向为Y轴方向，以该所述支撑组件的几何中心为坐标原点，建立直角坐标系；

同一列中，各所述起偏组件出光位置对应同一X坐标。

3.根据权利要求2所述的偏振像差检测装置，其特征在于，多个所述起偏组件排布的m列为非等间距排列，其中m为大于或等于2的正整数。

4.根据权利要求1-3任一所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述起偏组件包括反射元件、汇聚元件、偏振元件以及四分之一波片。

5.根据权利要求4所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述起偏组件还包括出光小孔，所述出光小孔位于所述支撑组件出光面上；所述反射元件包括第一反射镜和第二反射镜，所述汇聚元件包括第一汇聚透镜组和第二汇聚透镜组，所述偏振元件为偏振棱镜；所述第一反射镜、所述第一汇聚透镜组、所述偏振棱镜、所述四分之一波片、所述第二汇聚透镜组、所述第二反射镜以及所述出光小孔沿光束传播方向依次设置。

6.根据权利要求5所述的偏振像差检测装置，其特征在于，

所述第一汇聚透镜组包括第一汇聚透镜，所述第二汇聚透镜组包括第二汇聚透镜；

在不考虑所述偏振棱镜和所述四分之一波片的前提下，所述第一汇聚透镜和所述第二汇聚透镜的焦距相等，且在所述起偏组件中，所述第一汇聚透镜靠近所述第二汇聚透镜一侧的焦点和所述第二汇聚透镜靠近所述第一汇聚透镜一侧的焦点重合。

7.根据权利要求6所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述第一汇聚透镜和所述第二汇聚透镜为具有正光焦度的双凸透镜；

所述第一汇聚透镜靠近所述第二汇聚透镜的表面的曲率和所述第二汇聚透镜靠近所述第一汇聚透镜的表面的曲率相同；

所述第一汇聚透镜背离所述第二汇聚透镜的表面的曲率和所述第二汇聚透镜背离所述第一汇聚透镜的表面的曲率相同；

所述第一汇聚透镜和所述第二汇聚透镜中，焦距EFL和孔径D满足关系tan[arcsin(NA)]＝D×EFL/2，其中，NA为从所述照明单元出射的光线的数值孔径。

8.根据权利要求5所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述偏振棱镜为格兰泰勒棱镜或格兰-傅科棱镜。

9.根据权利要求5所述的偏振像差检测装置，其特征在于，

所述出光小孔的直径大于或等于10μm，且小于或等于500μm。

10.根据权利要求5所述的偏振像差检测装置，其特征在于，

同一行中，各所述起偏组件形成的光线的偏振态均相同。

11.根据权利要求4所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述反射元件为第三反射镜，所述汇聚元件为第三汇聚透镜组，所述偏振元件为五棱镜；所述第三反射镜、所述五棱镜、所述四分之一波片以及所述第三汇聚透镜组沿光束传播方向依次设置；

所述五棱镜为线偏振光学器件，所述第三反射镜角度设置为使得光束传播方向偏转两倍的布鲁斯特角。

12.根据权利要求4所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述反射元件为第三反射镜，所述汇聚元件为第三汇聚透镜组，所述偏振元件为五棱镜；所述五棱镜、所述四分之一波片、所述第三汇聚透镜组以及所述第三反射镜沿光束传播方向依次设置；

所述五棱镜为线偏振光学器件，光束以布鲁斯特角入射到所述五棱镜中。

13.一种偏振像差检测装置，其特征在于，包括沿光束传播方向依次设置的照明单元、起偏单元、被测单元以及检偏单元；

所述起偏单元包括支撑组件和多个起偏组件；

所述支撑组件不透光；

多个所述起偏组件镶嵌在所述支撑组件内并且呈n行m列排布，其中，n为大于或等于4的正整数，m为大于或等于1的正整数；

同一列中，至少四个所述起偏组件形成的光线的偏振态互不相同；

所述起偏组件用于调制所述照明单元出射的光的偏振态,以使经多个所述起偏组件后入射至所述被测单元的光具有不同的相位和振幅二向衰减。

14.根据权利要求13所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述照明单元出射的光束具有数值孔径；

所述起偏组件包括沿所述光束传播方向依次设置的第一反射结构、第一汇聚透镜、偏振棱镜、四分之一波片、第二汇聚透镜、第二反射结构以及出光小孔；

所述出光小孔位于所述支撑组件的出光面上。

15.根据权利要求14所述的偏振像差检测装置，其特征在于，当所述第一汇聚透镜和所述第二汇聚透镜为理想旁轴透镜时，在不考虑所述偏振棱镜和所述四分之一波片的前提下，所述第一汇聚透镜和所述第二汇聚透镜的焦距相等，且在所述起偏组件中，所述第一汇聚透镜靠近所述第二汇聚透镜一侧的焦点和所述第二汇聚透镜靠近所述第一汇聚透镜一侧的焦点重合。

16.根据权利要求15所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述第一汇聚透镜和所述第二汇聚透镜为具有正光焦度的透镜；

所述第一汇聚透镜靠近所述第二汇聚透镜的表面的曲率和所述第二汇聚透镜靠近所述第一汇聚透镜的表面的曲率相同；

所述第一汇聚透镜背离所述第二汇聚透镜的表面的曲率和所述第二汇聚透镜背离所述第一汇聚透镜的表面的曲率相同；

所述第一汇聚透镜和所述第二汇聚透镜中，焦距EFL和孔径D满足关系tan[arcsin(NA)]＝D×EFL/2，其中，NA为从所述照明单元出射的光束的数值孔径。

17.根据权利要求14所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述偏振棱镜的分离角大于2o。

18.根据权利要求13所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述照明单元包括衍射片，所述衍射片用于将所述照明单元出射的光束的边缘与光轴的夹角调节至小于2o的角度范围内。

19.根据权利要求18所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述起偏组件包括沿所述光束的传播方向依次设置的第三反射结构、第一布鲁斯特棱镜、四分之一波片、第三汇聚透镜以及出光小孔；

所述光束经所述第三反射结构反射后以布鲁斯特角入射到所述第一布鲁斯特棱镜中；

所述出光小孔位于所述支撑组件的出光面上。

20.根据权利要求18所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述起偏组件包括沿所述光束的传播方向依次设置的第二布鲁斯特棱镜、四分之一波片、第四汇聚透镜、第三反射结构以及出光小孔；

所述光束以布鲁斯特角入射到所述第二布鲁斯特棱镜中；

所述出光小孔位于所述支撑组件出光面上。

21.根据权利要求14、19或20所述的偏振像差检测装置，其特征在于，所述出光小孔的直径大于或等于10μm，且小于或等于500μm。

22.根据权利要求19或20所述的偏振像差检测装置，其特征在于，以行方向为X轴方向，以列方向为Y轴方向，以所述支撑组件的几何中心为坐标原点，建立直角坐标系；

存在一列所述起偏组件的出光位置对应的X坐标均为0。

23.一种物镜测试台，其特征在于，包括如权利要求1-22任一所述的偏振像差检测装置。

24.一种光刻设备，其特征在于，包括如权利要求1-22任一所述的偏振像差检测装置。

25.根据权利要求24所述的光刻设备，其特征在于，包括掩膜台和掩膜版；所述起偏单元与所述掩膜版的厚度及尺寸相同；

在偏振像差检测过程中，所述起偏单元放置于所述掩膜台上；

在光刻过程中，所述偏光片放置于所述掩膜台上。

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