CN111829672A - 一种双探测器波长测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双探测器波长测量装置和方法，其中，所述波长测量装置包括：Fabry‑Perot标准具，用于接收光源输出的光束并产生干涉条纹；第一探测器，用于探测所述Fabry‑Perot标准具产生的干涉条纹；第二探测器，与所述第一探测器平行布置，用于探测所述Fabry‑Perot标准具产生的干涉条纹；处理器，用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长。

Description

一种双探测器波长测量装置和方法

技术领域

本发明波长测量技术领域，特别涉及一种波长测量装置和方法。

背景技术

准分子激光器因为能量大、波长短、线宽窄成为高精度光刻机的主要光源，常用的准分激光器有ArF准分子激光器和KrF准分子激光器，其中，ArF准分子激光器的中心波长在193.4nm，KrF准分子激光器的中心波长在248.3nm。根据光的衍射理论可知，激光器的波长越短成像的光斑越小，光刻机就可以曝光出更细的线条，这样减小芯片的体积，提升了芯片的性能。

投影物镜是光刻机中的核心元件，它把掩模版上的图案缩小并投影到硅片上，这样就在硅片上得到了特定图案分布。投影物镜对激光器的波长十分敏感，波长的变化会引起投影物镜最佳焦平面的改变，从而使曝光的线条的尺寸变大，影响芯片生产的良率，因此光刻机要求准分子激光器有很高的波长稳定性。对于110nm工艺节点，要求激光器的中心波长稳定性高于0.05pm，而对于28nm工艺节点，要求激光器的中心波长稳定性高于0.03pm，这就要求激光器内部具有fm级波长测量装置，通过波长测量装置实时测量激光器的波长，并进行闭环控制，实现中心波长的高稳定性。

Fabry-Perot标准具(以下简称FP标准具)是一种高精度的光学元件，由两片高度平行的高反镜组成，具有极高的光谱分辨率，因为其体积小，光谱分辨率高，是在线测量激光器波长的主要方法。在专利US6539046、US6317448和CN109073463中，在准分子激光器内通过分束镜，将光束照射到FP标准具上，之后将FP标准具产生的多束干涉条纹成像在CCD上，通过计算干涉条纹的峰值位置，得到激光器的波长，并对激光器的波长闭环反馈，保证了激光器的波长稳定性。

为了实现单脉冲波长测量，上述专利中均采用线阵CCD为探测器，线阵CCD能够探测并存储一条线上的光强分布，而FP标准具的干涉条纹为一系列同心圆组成，为了提高中心波长的测量精度，要求线阵CCD正好位于干涉条纹同心圆的直径上。在专利US7411686中提出了一种FP标准具装调方法，利用附加的光电二极管，辅助探测干涉条纹的中心，并调整FP标准具或CCD的位置使干涉条纹的中心位于探测器CCD上。该方法可以在装调过程中保证FP标准具的位置，提高了波长的测量精度，然而，在激光器的日常使用中，无法在线调整FP标准具或CCD的位置的漂移，影响波长测量的长期精度和稳定性。

基于FP标准具的波长测量装置在使用过程时需要对FP标准具和CCD的位置进行装调和对准，在需要额外的校准工作量，装调时间长，技术难度大，且无法长期保障FP标准具和CCD的位置，影响波长的测量精度和稳定性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本发明的主要目的在于提供一种一种双探测器波长测量装置和方法，以便解决上述问题的至少之一。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种双探测器波长测量装置，包括：

Fabry-Perot标准具，用于接收光源输出的光束并产生干涉条纹；

第一探测器，用于探测所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹；

第二探测器，与所述第一探测器平行布置，用于探测所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹；

处理器，用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长。

进一步的，所述处理器用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差，以及所述第二探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差确定干涉条纹的半径，并根据所述干涉条纹的半径确定所述光源的波长。

进一步的，还包括：会聚镜，位于所述Fabry-Perot标准具与所述第一探测器、第二探测器之间，用于接收所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹，并将所述干涉条纹聚焦到所述第一探测器和第二探测器上。

进一步的，所述Fabry-Perot标准具包括第一高反镜和第二高反镜，所述第二高反镜与所述第一高反镜平行布置，且二者的反射系数均大于95％。

进一步的，测得的所述光源的波长λ满足以下关系式：

式中，n为Fabry-Perot标准具内气体的折射率，d为Fabry-Perot标准具间距，m为干涉条纹级次，r为干涉条纹的半径，f为所述会聚镜的焦距；

所述干涉条纹的半径满足以下关系式：

式中，h为所述第一探测器与第二探测器之间的距离，AC和DF的数值通过所述第一探测器和第二探测器干涉条纹的峰值所对应的几何位置确定。

根据本发明的另一个方面，提供了一种双探测器波长测量方法，包括：

通过Fabry-Perot标准具接收光源的输出光束并产生干涉条纹；

通过第一探测器探测所述Fabry-Perot标准具输出的干涉条纹；

通过第二探测器探测所述Fabry-Perot标准具输出的干涉条纹；

根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长。

进一步的，根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长，包括：

根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述干涉条纹的半径；

根据所述干涉条纹的半径确定所述光源的波长。

进一步的，根据所述第一探测器探测的干涉条纹与第二探测器探测的干涉条纹确定所述干涉条纹的半径包括：

确定第一探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差；

确定第二探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差；

根据第一探测器探测的干涉条纹峰值所对应的几何位置的差、以及第二探测器探测的干涉条纹峰值所对应的几何位置的差计算干涉条纹的半径。

进一步的，还包括：通过会聚镜将所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹聚焦到所述第一探测器和第二探测器上。

进一步的，测得的所述光源的波长λ满足以下关系式：

式中，n为所述Fabry-Perot标准具内气体的折射率，d为Fabry-Perot标准具间距，m为所述干涉条纹级次，r为所述干涉条纹的半径，f为所述会聚镜的焦距；

所述干涉条纹的半径r满足以下关系式：

式中，h为所述第一探测器与第二探测器之间的距离，AC和DF的数值通过所述第一探测器和第二探测器干涉条纹的峰值所对应的几何位置确定。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种双探测器波长测量装置和方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明的双探测器波长测量装置和方法利用两个探测器同时探测Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹，由此确定光源的波长，不需要对FP标准具和探测器的位置进行精密装调和校准，节省了对FP标准具和CCD的位置进行装调和对准的工作量，提高了波长的测量精度和稳定性。

(2)本发明的双探测器波长测量装置和方法不但可以用来测量激光器的波长，还可以用来测量其他光源的波长。

(3)本发明可以自动计算干涉条纹的中心和半径，不受FP标准具位置漂移的影响，提高了波长测量的精度和稳定度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例双探测器波长测量装置结构示意图。

图2为本发明实施例探测器上干涉条纹分布示意图。

图3为本发明实施例双探测器上干涉条纹分布示意图一。

图4为本发明实施例双探测器上干涉条纹漂移示意图一。

图5为本发明实施例双探测器上干涉条纹分布示意图二。

图6为本发明实施例双探测器上干涉条纹漂移示意图二。

图7为本发明实施例双探测器上干涉条纹漂移示意图三。

图8为本发明双探测器波长测量方法流程图。

<附图标记说明>

1-FP标准具、2，3-高反镜、4-凸透镜、5，6-CCD探测器、7-处理器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出一种基于双探测器波长测量装置和方法，利用FP标准具和两个探测器同时测量两组干涉条纹，并根据两组干涉条纹的位置，计算出干涉条纹中心的位置，得到准确的干涉条纹半径，从而实现光源波长高精度和高稳定性测量。

本发明所述波长测量装置，包括：

Fabry-Perot标准具，用于接收光源的输出光束并产生干涉条纹；

第一探测器，用于探测所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹；

第二探测器，与所述第一探测器平行布置，用于探测所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹；

处理器，用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长。

具体的，所述处理器用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差，以及所述第二探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差确定干涉条纹的半径，并根据所述干涉条纹的半径确定所述光源的波长。更具体而言，所述处理器用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差、所述第二探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差、以及所述第一探测器与所述第二探测器之间的距离来确定干涉条纹的半径。

其中，所述处理器可以是任意类型的处理器，本发明对此不作限制。

下面结合附图2-7详细介绍本发明的实施例。

图1为本发明实施例的双探测器波长测量装置结构示意图。如图1所示，本实施例所述双探测器波长测量装置包括：FP标准具1、凸透镜4、CCD探测器5和CCD探测器6，处理器7。其中，所述FP标准具1包括两片高度平行的高反镜2和高反镜3，反射系数一般大于95％，光束在FP标准具1中发生多次反射，被凸透镜4聚焦到所述CCD探测器5和CCD探测器6上。所述探测器上的干涉条纹分布满足以下关系式：

其中，n为FP标准具内气体的折射率，d为FP标准具间距，m为干涉条纹级次，r为干涉条纹的半径，f为会聚镜的焦距。

如图2所示，可以看出，当干涉条纹的中心在CCD上时，干涉条纹半径r为探测到条纹峰值对应几何位置的差的一半，计算方法简单，但是，如果此时干涉条纹发生漂移时，导致峰值位置也会发生变化，从而影响干涉条纹半径的计算，引起波长的测量误差。

为了减小该误差，本发明采用两个探测器探测干涉条纹，两个探测器平行分布，且距离为h，当干涉条纹的圆心位于两个探测器之间时，如图3所示，此时BO+EO＝h；当两个探测器位于干涉条纹圆心的同一侧时，如图5所示，此时BO-EO＝h；

根据几何位置关系，可以得到：

而：

BO±EO＝h (4)

由此可以解得：

其中，AC和DF可以通过计算CCD探测器5和CCD探测器6干涉条纹的峰值位置得到(AC通过CCD探测器5探测的干涉条纹的两个峰值所对应的几何位置的差得到，DF通过CCD探测器6探测的干涉条纹的两个峰值所对应的几何位置的差得到)，从而得到干涉条纹的半径r，再代入(1)式，即可得到光源波长。

当FP标准具或CCD探测器5、CCD探测器6位置发生偏移时，干涉条纹的分布如图4中虚线所示(图4示出了偏移的一种情况)，此时，根据CCD探测器5和CCD探测器6探测到干涉条纹新的位置(A’，C’，D’，F’)，依然可以通过式(5)计算得到干涉条纹的半径，其条纹半径不会随着干涉条纹偏移位置变化而改变，因此，使用双探测器探测到FP标准具干涉条纹来计算的光源波长，不会受FP标准具或探测器的位置影响。在光源使用过程中，该测量装置和方法可以消除FP标准具或CCD位置漂移引入测量误差，提高了光源波长测量的稳定性。同时，在装调FP标准具波长计时，不需要对FP标准具和探测器的位置进行精密调整，节省了装置装调时间。

当FP标准具或CCD探测器5、CCD探测器6位置发生偏移时，干涉条纹的分布如图6中虚线所示(图6示出了偏移的另一种情况)，此时，根据CCD探测器5和CCD探测器6探测到干涉条纹新的位置(A’，C’，D’，F’)，但其条纹半径不会随着干涉条纹偏移位置变化而改变，因此，使用双探测器探测到FP标准具干涉条纹来计算的光源波长，不会受FP标准具或探测器的位置影响。

当FP标准具或CCD探测器5、CCD探测器6位置发生偏移时，干涉条纹的分布如图7中虚线所示(图7示出了偏移的又一种情况)，此时，根据CCD探测器5和CCD探测器6探测到干涉条纹新的位置(A’，C’，D’，F’)，但其条纹半径不会随着干涉条纹偏移位置变化而改变，因此，使用双探测器探测到FP标准具干涉条纹来计算的光源波长，不会受FP标准具或探测器的位置影响。综上，本发明条纹半径不受干涉条纹偏移位置变化影响，相应的光源波长不受FP标准具或探测器的位置影响。

图8为本发明波长测量方法流程图。如图8所示，本发明所述波长测量方法，包括：

通过Fabry-Perot标准具接收光源的输出光束并产生干涉条纹；

通过第一探测器探测所述Fabry-Perot标准具输出的干涉条纹；

通过第二探测器探测所述Fabry-Perot标准具输出的干涉条纹；

根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定光源的波长。

进一步的，根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长，包括：

根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述干涉条纹的半径；

根据所述干涉条纹的半径确定得到光源的波长。

更进一步的，根据所述第一探测器探测的干涉条纹与第二探测器探测的干涉条纹确定所述干涉条纹的半径，包括：

确定第一探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差；

确定第二探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差；

根据第一探测器探测的干涉条纹峰值所对应的几何位置的差、以及第二探测器探测的干涉条纹峰值所对应的几何位置的差、第一、第二探测器之间的距离计算干涉条纹的半径。

本发明使用双探测器和FP标准具进行波长测量，不需要对FP标准具和探测器的位置进行精密装调和校准，根据算法可以自动计算干涉条纹的中心和半径，因此该装置不受FP标准具位置漂移的影响，提高了波长测量的精度和稳定度。

本实施例具有稳定的波长测量精度，测量结果不会受FP标准具或探测器位置变化的影响，具有很高的稳定性和可靠性，可以应用高精度高稳定性的光源波长在线测量中，尤其是准分子激光器波长的在线测量，为准分子激光器波长稳定性反馈提供稳定的测量数据。

本发明的双探测器波长测量装置和方法可以用来测量激光器的波长，还可以用来测量其他光源的波长。

至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

当然，根据实际需要，本发明还可以包含其他的部分，由于同本发明的创新之处无关，此处不再赘述。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中发明的所有特征以及如此发明的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中发明的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

此外，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

除非存在技术障碍或矛盾，本发明的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本发明的保护范围中。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。

虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双探测器波长测量装置，其特征在于，包括：

Fabry-Perot标准具，用于接收光源输出的光束并产生干涉条纹；

第一探测器，用于探测所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹；

第二探测器，与所述第一探测器平行布置，用于探测所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹；

处理器，用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器用于根据所述第一探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差，以及所述第二探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差确定干涉条纹的半径，并根据所述干涉条纹的半径确定所述光源的波长。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：会聚镜，位于所述Fabry-Perot标准具与所述第一探测器、第二探测器之间，用于接收所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹，并将所述干涉条纹聚焦到所述第一探测器和第二探测器上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述Fabry-Perot标准具包括第一高反镜和第二高反镜，所述第二高反镜与所述第一高反镜平行布置，且二者的反射系数均大于95％。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，测得的所述光源的波长入满足以下关系式：

式中，n为Fabry-Perot标准具内气体的折射率，d为Fabry-Perot标准具间距，m为干涉条纹级次，r为干涉条纹的半径，f为所述会聚镜的焦距；

所述干涉条纹的半径满足以下关系式：

式中，h为所述第一探测器与第二探测器之间的距离，AC和DF的数值通过所述第一探测器和第二探测器干涉条纹的峰值所对应的几何位置确定。

6.一种双探测器波长测量方法，其特征在于，包括：

通过Fabry-Perot标准具接收光源的输出光束并产生干涉条纹；

通过第一探测器探测所述Fabry-Perot标准具输出的干涉条纹；

通过第二探测器探测所述Fabry-Perot标准具输出的干涉条纹；

根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述光源的波长，包括：

根据所述第一探测器探测的干涉条纹和所述第二探测器探测的干涉条纹确定所述干涉条纹的半径；

根据所述干涉条纹的半径确定所述光源的波长。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述第一探测器探测的干涉条纹与第二探测器探测的干涉条纹确定所述干涉条纹的半径包括：

确定第一探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差；

确定第二探测器探测的干涉条纹的峰值所对应的几何位置的差；

根据第一探测器探测的干涉条纹峰值所对应的几何位置的差、以及第二探测器探测的干涉条纹峰值所对应的几何位置的差计算干涉条纹的半径。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

通过会聚镜将所述Fabry-Perot标准具产生的干涉条纹聚焦到所述第一探测器和第二探测器上。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，测得的所述光源的波长λ满足以下关系式：

式中，n为所述Fabry-Perot标准具内气体的折射率，d为Fabry-Perot标准具间距，m为所述干涉条纹级次，r为所述干涉条纹的半径，f为所述会聚镜的焦距；

所述干涉条纹的半径r满足以下关系式：

式中，h为所述第一探测器与第二探测器之间的距离，AC和DF的数值通过所述第一探测器和第二探测器干涉条纹的峰值所对应的几何位置确定。

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