CN111751086A - 一种物镜参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种物镜参数测量装置。该装置包括：光源模块用于发射各个方向亮度相同的光线；光束划分模块用于将由待测物镜出射的光束划分为多个子光束，并将多个子光束垂直投射到探测模块；控制模块用于当孔径光阑在第一位置时，控制探测单元探测透过孔径光阑后的每一子光束的在探测平面的成像光斑外径，并且当孔径光阑位于第一位置之外的位置时，控制探测单元探测每一子光束在探测单元的探测平面上的成像位置；控制模块还用于根据各子光束的成像光斑外径确定待测物镜的数值孔径，并根据各子光束的成像位置确定待测物镜的远心度和光束出射角度误差。本发明实施例实现了同时测量远心度和NA，简化了检测过程，提高了检测效率。

Description

一种物镜参数测量装置

技术领域

本发明实施例涉及光线参数检测技术，尤其涉及一种物镜参数测量装置。

背景技术

半导体制造行业中的曝光系统或光刻系统通常包括物镜，用于将照明光线投射到照明位置，远心度和数值孔径(NA)是影响物镜性能好坏的重要参数。

现有技术的物镜检测系统通常只能单独测量远心度，或者只能单独测量NA，无法同时测量远心度和NA,导致检测过程繁琐，检测效率较低。

发明内容

本发明提供一种物镜参数测量装置，以实现同时测量远心度和NA，简化检测过程，提高检测效率。

本发明实施例提供了一种物镜参数测量装置，包括：

光源模块、光束划分模块、探测模块以及控制模块：

所述光源模块用于发射各个方向亮度相同的光线，使所述光线被待测物镜接收；

所述光束划分模块用于将由所述待测物镜出射的光束划分为多个子光束，并将多个子光束垂直投射到所述探测模块；

所述探测模块包括孔径光阑以及探测单元，所述探测单元用于对所述子光束进行成像探测；

所述控制模块用于当所述孔径光阑在第一位置时，控制所述探测单元探测透过孔径光阑后的每一所述子光束的在所述探测平面的成像光斑外径，并且当所述孔径光阑位于第一位置之外的位置时，控制所述探测单元探测每一所述子光束在所述探测单元的探测平面上的成像位置；其中，所述第一位置为沿光路位于所述探测单元与所述光束划分模块之间的预设位置；

所述控制模块还用于根据各所述子光束的所述成像光斑外径确定所述待测物镜的数值孔径，并根据各所述子光束的成像位置确定所述待测物镜的远心度和光束出射角度误差。

可选的，所述探测单元包括光束探测器和汇聚透镜，所述汇聚透镜沿光路设置于所述光束探测器邻近所述光束划分模块的一侧，所述光束探测器设置于所述汇聚透镜的后焦面。

可选的，所述预设位置为所述汇聚透镜的前焦面。

可选的，所述光束划分模块包括光束传递单元和光束划分单元；

所述光束划分单元用于将所述待测物镜出射的光束划分为多个子光束；

所述光束传递单元用于接收由所述光束划分单元出射的子光束，并将所述子光束垂直投射到所述探测模块。

可选的，所述光束划分单元包括多个反射狭缝，每一所述反射狭缝用于对投射到其表面的光线进行反射。

可选的，多个所述反射狭缝阵列排布。

可选的，所述光束传递单元为平面反射镜或反射棱镜。

可选的，所述控制模块用于根据所述多个子光束的成像位置确定各子光束的子光束角度偏差，根据各所述子光束角度偏差通过最小二乘拟合算法确定各子光束的子光束出射角度误差，并根据各所述子光束角度偏差与相应的子光束出射角度误差的差值确定所述待测物镜的远心度。

可选的，所述控制模块用于将各所述子光束角度偏差与相应的子光束出射角度误差的差值的最大值确定为所述待测物镜的远心度，将各所述子光束出射角度误差中的最大值确定为所述待测物镜的光束出射角度误差。

可选的，所述控制模块用于根据各子光束的所述成像光斑外径确定每一子光束的子数值孔径，将各所述子数值孔径的最大值确定为所述待测物镜的数值孔径。

可选的，所述光源模块包括朗伯体光源。

可选的，所述光束探测器为电荷耦合元件CCD探测器。

可选的，该装置还包括：

划分单元调节模块以及传递单元调节模块；

所述划分单元调节模块用于调节所述光束划分单元的位置；

所述传递单元调节模块用于调整所述光束传递单元的位置。

可选的，所述控制模块还包括位置调节单元，用于调节所述探测模块的位置，使所述探测模块依次对多个子光束进行探测。

本发明实施提供的物镜参数检测装置包括光源模块、光束划分模块、探测模块以及控制模块，其中探测模块包括孔径光阑和探测单元，在孔径光阑在第一位置时，控制模块控制探测单元探测透过孔径光阑后的每一子光束的在探测平面的成像光斑外径，从而确定待测物镜的数值孔径，在孔径光阑不在第一位置时，控制模块控制探测单元探测每一子光束在探测单元的探测平面上的成像位置，从而确定待测物镜的光束出射角度误差和远心度。本实施例的物镜参数检测装置仅通过孔径光阑两种不同位置的调节即可实现对数值孔径、光束出射角度误差和远心度的同时检测，简化了检测过程，提高了检测效率，降低了测量成本。

附图说明

图1是一种物镜参数测量装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的远心度测量原理示意图；

图3是光束在探测器321的成像示意图；

图4是一种子光束角度偏差曲线；

图5是本发明实施例提供的数值孔径测量原理示意图；

图6是本发明实施例提供的又一种物镜参数测量装置的示意图；

图7是一种光束传递单元的示意图；

图8是另一种光束传递单元的示意图；

图9是一种工装掩膜版的示意图；

图10是本发明实施例提供的又一种物镜参数测量装置的示意图。

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。

本实施例提供了一种物镜参数测量装置，图1是一种物镜参数测量装置的示意图，参考图1，该物镜参数测量装置包括：

光源模块10、光束划分模块20、探测模块30以及控制模块40；

光源模块10用于发射各个方向亮度相同的光线，使光线被待测物镜50接收；

光束划分模块20用于将由待测镜50出射的光束划分为多个子光束，并将多个子光束垂直投射到探测模块30；

探测模块30包括孔径光阑31以及探测单元32，探测单元32用于对子光束进行成像探测；

控制模块40用于当孔径光阑31在第一位置时，控制探测单元32探测透过孔径光阑31后的每一子光束的在探测平面的成像光斑外径，并且当孔径光阑31位于第一位置之外的位置时，控制探测单元32探测每一子光束在探测单元32的探测平面上的成像位置；其中，第一位置为沿光路位于探测单元32与光束划分模块20之间的预设位置；

控制模块40还用于根据各子光束的成像光斑外径确定待测物镜50的数值孔径，并根据各子光束的成像位置确定待测物镜50的光束出射角度误差和远心度。

其中，待测物镜50可以为一个光学晶片也可以为一组光线晶片，本实施例并不做具体限定。光源模块10可以包括朗伯体光源，也可以包括其他形式的光源，只要保证光源模块10出射的光线在各个角度的亮度分别均匀即可。光束划分模块20对投射到其上的光束进行划分，由于一般物镜的出射光束垂直光轴的横截面具有一定的尺寸，探测模块30的视场有限，通过将光束划分为多个子光束，通过分别对每一子光束进行探测，可以完成对整个光束进行探测，提高探测精度。探测单元32可以对准直光束进行成像探测，也可以对点光源发出的光束进行成像探测，示例性的探测单元32对准直光束进行成像探测时，探测到的为汇聚的像，对由点光源出射的光进行成像探测时，探测到的为准直光线所成的像，即具有一定外径的光斑。

此外，一束光的主光线和光轴的夹角即为该束光的光束角度偏差，光束角度偏差包含两部分，即光束出射角度误差和远心度，其中光束出射角度误差为待测物镜组装时的位置偏差等带来的误差，可以通过调节硬件来消除，远心度即光束角度偏差与光束出射角度误差的差值。

具体的，当各子光束为准直光束时，其在探测单元32的成像位置为标准位置，当子光束具有一定的角度偏差时，其在探测单元32的成像位置偏离标准位置，根据偏离程度可以确定各子光束的角度偏差，根据各子光束角度偏差可以确定待测物镜50的光束出射角度误差和远心度。

另外，当孔径光阑31在第一位置时，由光束划分模块20出射的光线经孔径光阑31后进入探测单元32，当孔径光阑31在第一位置之外的位置时，由光束划分模块20出射的光线不经过孔径光阑31，而是直接进入探测单元32。其中，预设位置可以为探测单元32的焦面位置，通过在探测单元32的焦面放置孔径光阑31，通过孔径光阑31的光变成准直光成像在光束在探测单元32上，通过探测成像光斑外径可以计算每一子光束的子数值孔径，根据各子光束的子数值孔径可以得到待测物镜50的数值孔径。

本实施例提供的物镜参数检测装置包括光源模块10、光束划分模块20、探测模块30以及控制模块40，其中探测模块40包括孔径光阑31和探测单元32，在孔径光阑31在第一位置时，控制模块40控制探测单元32探测透过孔径光阑31后的每一子光束的在探测平面的成像光斑外径，从而确定待测物镜50的数值孔径，在孔径光阑31不在第一位置时，控制模块40控制探测单元32探测每一子光束在探测单元32的探测平面上的成像位置，从而确定待测物镜50的光束出射角度误差和远心度。本实施例的物镜参数检测装置仅通过孔径光阑31两种不同位置的调节即可实现对数值孔径、光束出射角度误差和远心度的同时检测，简化了检测过程，提高了检测效率，降低了测量成本。

图2是本发明实施例提供的远心度测量原理示意图，可选的，探测单元32包括光束探测器321和汇聚透镜322，汇聚透镜322沿光路设置于光束探测器321邻近光束划分模块20的一侧，光束探测器321设置于汇聚透镜322的后焦面。

其中，光束探测器321用于探测子光束在成像平面的能量分布，通过该能量分布可以确定成像位置以及成像光斑大小。本实施例对光束探测器321的具体形式并不做具体限定，示例性的，光束探测器321可以为电荷耦合元件CCD探测器。

此外，汇聚透镜322为可以将准直光束汇聚为光点，将设置在前焦面的点光源出射的光线转化为准直光束的透镜，本实施例对汇聚透镜322的具体形式并不做具体限定，示例性的汇聚透镜322可以为双胶合透镜。

可选的，控制模块40用于根据多个子光束的成像位置确定各子光束的子光束角度偏差αi，根据各子光束角度偏差αi通过最小二乘拟合算法确定各子光束的子光束出射角度误差βi，并根据各子光束角度偏差αi与相应的子光束出射角度误差βi的差值确定待测物镜的远心度。

下面结合图2示例性的对测量原理仅需说明：

当光束与理想光轴夹角为α时，其入射后会汇聚在汇聚透镜322后焦面，相对于理想成像位置具有一定的偏差。图3是光束在探测器321的成像示意图，参考图3，以亮度重心位置O’作为光束成像光斑的成像位置，计算其与理想成像位置O的偏心距离Sx，Sy和S；则根据S＝F*tanα，得出：

其中，F为汇聚透镜322的焦距。

据此，通过探测每一子光束的成像光斑位置，采用上述公式可以得到每一子光束的相对于理想光轴的子光束角度偏差αi，得到角度偏差曲线，图4是一种子光束角度偏差曲线，参考图4，曲线一为角度偏差曲线，用一阶函数通过最小二乘拟合的方法拟合出出射角度误差曲线(曲线二)，从而得到每一子光束的子光束出射角度误差βi，子光束角度偏差αi与子光束出射角度误差βi的差值即为子光束的远心度θi。根据各子光束的远心度θi可以得到待测物镜出射的整束光的远心度，即待测物镜的远心度。

可选的，控制模块用于将各子光束角度偏差αi与相应的子光束出射角度误差βi的差值的最大值确定为待测物镜的远心度，将子光束出射角度误差βi的最大值作为待测物镜的光束出射角度误差。

具体的，αi与相应的βi的差值的最大值即为各子光束的最大远心度，通过将各子光束的最大远心度确定为待测物镜的远心度，可以更好的保证待测物镜满足远心度精度要求。

图5是本发明实施例提供的数值孔径测量原理示意图，可选的，预设位置为汇聚透镜322的前焦面。

具体的，根据光线共轭原理，当在汇聚透镜322前焦面放置一个具有一定数值孔径NA的光源时，其出射的光经过汇聚透镜322后会准直成具有一定面积的光斑，当光斑成像在后焦面的探测器321上时，根据光斑大小根据以下公式可换算出NA的值:

可选的，控制模块40用于根据各子光束的成像光斑外径确定每一子光束的子数值孔径NAi，将各子数值孔径NAi中的最大值确定为待测物镜的数值孔径。

据此，通过在汇聚透镜321前焦面放置通过孔径光阑31，因为共轭的原因，通过孔径光阑31的光经过汇聚透镜322后变成准直光成像在探测器321上，设每一子光束经过孔径光阑31后相应的成像光斑外径为Di,根据Di可以得到该子光束对应的子数值孔径NAi,根据各子数值孔径NAi可以确定待测物镜的数值孔径。

可选的，图6是本发明实施例提供的又一种物镜参数测量装置的示意图，可选的，参考图6，光束划分模块20包括光束传递单元22和光束划分单元21；

光束划分单元21用于将待测物镜50出射的光束划分为多个子光束；

光束传递单元22用于接收由光束划分单元21出射的子光束，并将子光束垂直投射到探测模块30。

其中，光束划分单元21可以包括多个子元件，多个子元件以设定的间隔排列，投射到各子元件上的光经该子元件的反射、透射或折射等到达光束传递单元22，子元件的个数、大小以及排布方式可以根据待测物镜50出射的光束大小确定。光束传递单元22可以为能够改变光束传输方向的光学元件。图7是一种光束传递单元的示意图，图8是另一种光束传递单元的示意图，可选的，参考图7和图8，光束传递元件为平面反射镜(图7)或反射棱镜(图8)。

可选的，参考图6，光束划分单元21包括多个反射狭缝211，每一反射狭缝211用于对投射到其表面的光线进行反射。

其中，光束划分单元21可以为镀铬的掩膜版，包括多个镀铬的狭缝。此外，反射狭缝211还可以是其他形式的狭缝，只要能对投射到其上的光线进行反射即可。图9是一种工装掩膜版的示意图，参考图9，工装掩膜版包括多个反射狭缝211。

可选的，多个反射狭缝211阵列排布。

具体的，光束的垂直光轴的截面为圆形等沿多个方向的尺寸均比较大的形状时，可以设置反射狭缝以n*m的阵列方式排布，其中n和m均为大于等于1的整数，且n和m不同时等于1，n和m的具体数值和大小可以根据光束的横截面积确定。

当光束的垂直光轴的横截面为条形，即光束沿一个方向(长度方向)的尺寸比较大，其宽度方向的尺寸比较小时，可以设置多个反射沿光束的长度方向依次排列，即设置一排反射狭缝。

此外，参考图7-图9，物镜参数测量装置还包括：

划分单元调节模块60以及传递单元调节模块70；

划分单元调节模块60用于调节光束划分单元21的位置；传递单元调节模块70用于调整光束传递单元21的位置。

具体的，通过划分单元调节模块60可以调节掩膜版的角度，通过传递单元调节模块70可以光束传递单元22的姿态，从而实现光束垂直入射到探测模块。

图10是本发明实施例提供的又一种物镜参数测量装置的示意图，可选的，参考图10，控制模块40包括位置调节单元41，用于调节探测模块30的位置，使探测模块40依次对多个子光束进行探测，并用于调节孔径光阑31的位置。

具体的，位置调节单元41可以控制探测模块30沿反射狭缝211的排布方向运动，使探测模块40依次探测每一反射狭缝211出射的子光束。

示例性的，位置调节单元41可以包括用于探测模块30三个移动方向调节的X,Y和Z向调节机构，用于探测模块30相对光束划分单元21的Rx和Ry自由度调节的调节机构，以及用于探测模块30整体移动过程中Rx和Ry倾斜调节的调节机构。位置调节单元41还用于调节孔径光阑31的位置。

具体的，参考图7-图10，在调试阶段，设置孔径光阑31位于第一位置之外的区域，即由光束传递单元22出射的光不经过孔径光阑31直接入射到探测单元32。可以先可以采用标准的准直光入射到光束划分单元21表面，探测单元32接收由光束传递单元22出射的光束，通过探测光束在探测单元32的成像位置确定由光束传递单元22出射的光束是否垂直入射到探测单元32。可以采用划分单元调节模块60、传递单元调节模块70以及位置调节单元41分别进行调节，直至光束垂直入射到探测单元32。

可选的，参考图10，探测模块30还包括衰减片33，设置于探测单元32邻近光束划分模块20的一侧，用于对入射到探测模块30的光束进行衰减，避免光线能量过大，对探测单元32产生过曝，影响探测单元32的探测性能。

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 (14)

1.一种物镜参数测量装置，其特征在于，包括：

光源模块、光束划分模块、探测模块以及控制模块：

所述光源模块用于发射各个方向亮度相同的光线，使所述光线被待测物镜接收；

所述光束划分模块用于将由所述待测物镜出射的光束划分为多个子光束，并将多个子光束垂直投射到所述探测模块；

所述探测模块包括孔径光阑以及探测单元，所述探测单元用于对所述子光束进行成像探测；

所述控制模块用于当所述孔径光阑在第一位置时，控制所述探测单元探测透过孔径光阑后的每一所述子光束的在所述探测平面的成像光斑外径，并且当所述孔径光阑位于第一位置之外的位置时，控制所述探测单元探测每一所述子光束在所述探测单元的探测平面上的成像位置；其中，所述第一位置为沿光路位于所述探测单元与所述光束划分模块之间的预设位置；

所述控制模块还用于根据各所述子光束的所述成像光斑外径确定所述待测物镜的数值孔径，并根据各所述子光束的成像位置确定所述待测物镜的远心度和光束出射角度误差。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述探测单元包括光束探测器和汇聚透镜，所述汇聚透镜沿光路设置于所述光束探测器邻近所述光束划分模块的一侧，所述光束探测器设置于所述汇聚透镜的后焦面。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述预设位置为所述汇聚透镜的前焦面。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述光束划分模块包括光束传递单元和光束划分单元；

所述光束划分单元用于将所述待测物镜出射的光束划分为多个子光束；

所述光束传递单元用于接收由所述光束划分单元出射的子光束，并将所述子光束垂直投射到所述探测模块。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述光束划分单元包括多个反射狭缝，每一所述反射狭缝用于对投射到其表面的光线进行反射。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

多个所述反射狭缝阵列排布。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：

所述光束传递单元为平面反射镜或反射棱镜。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述控制模块用于根据所述多个子光束的成像位置确定各子光束的子光束角度偏差，根据各所述子光束角度偏差通过最小二乘拟合算法确定各子光束的子光束出射角度误差，并根据各所述子光束角度偏差与相应的子光束出射角度误差的差值确定所述待测物镜的远心度。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：

所述控制模块用于将各所述子光束角度偏差与相应的子光束出射角度误差的差值的最大值确定为所述待测物镜的远心度，将各所述子光束出射角度误差中的最大值确定为所述待测物镜的光束出射角度误差。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述控制模块用于根据各子光束的所述成像光斑外径确定每一子光束的子数值孔径，将各所述子数值孔径的最大值确定为所述待测物镜的数值孔径。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述光源模块包括朗伯体光源。

12.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述光束探测器为电荷耦合元件CCD探测器。

13.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：

划分单元调节模块以及传递单元调节模块；

所述划分单元调节模块用于调节所述光束划分单元的位置；

所述传递单元调节模块用于调整所述光束传递单元的位置。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述控制模块还包括位置调节单元，用于调节所述探测模块的位置，使所述探测模块依次对多个子光束进行探测。

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