CN111947892A

CN111947892A - 一种深紫外退偏器检测装置及检测方法

Info

Publication number: CN111947892A
Application number: CN202010689303.4A
Authority: CN
Inventors: 曾爱军; 张灵浩; 夏克贵; 朱玲琳; 黄惠杰
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN111947892B

Abstract

本发明公开了一种深紫外退偏器检测装置及检测方法。高端光刻机工作波长位于深紫外波段，可选用光学材料非常稀少，许多其他波段常用的偏振器件难以加工，这给退偏器的性能检测带来了困难。本装置中，单色光源发出的光依次通过布儒斯特起偏镜、待测退偏器和布儒斯特检偏系统。布儒斯特检偏系统包含布儒斯特检偏镜和探测器，由探测器记录出射强度。起偏和检偏镜的表面为平面，光以布儒斯特角入射，获得线偏反射光。由记录的出射光强度的最大值和最小值，可得到退偏光的偏振度，从而反映了退偏器的退偏性能。本发明提供的一种深紫外退偏器检测装置及检测方法具有结构稳定、光路简洁、元部件易生产制造等特点，满足了深紫外退偏器的检测需要。

Description

一种深紫外退偏器检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及退偏器性能检测，特别提供一种深紫外退偏器检测装置及检测方法，具有适合深紫外退偏器检测、结构稳定、光路简洁、元部件易生产制造的特征。

背景技术

随着大规模集成电路的发展，对光刻系统的分辨率要求越来越高。退偏器能够消除精密光学系统中对光束偏振态的响应，在高端光刻机中有重要作用。由于严格分析需要采用stokes矢量及Muller矩阵算法，实际加工中各种误差的影响难以计算，因此需要直接对成品进行偏振检测。然而高端光刻机工作波长位于紫外、深紫外乃至极紫外波段，导致可选用材料非常稀少，许多其他波段常用的器件无法加工。如常用的以193nm准分子激光器作为光源的深紫外系统中，偏振片、双折射晶体棱镜等加工工艺难以满足常见的偏振检测装置的质量要求。因而亟需通过一些简易的光学器件搭建有效的偏振检测装置。

在现有技术中，“一种退偏器检测装置”(参见专利CN 208000191 U)中，公开了一种退偏器检测装置，采用扩束——缩束系统来避免偏振片尺寸不足的限制，但存在系统结构复杂(采用曲面反射系统)、元部件制造困难(需要用到大尺寸抛物面反射镜)、容易引入不确定相移(实际抛物面形状、角度等存在诸多误差)等难题。工程上难度大，不确定因素多。特别地，应用于高端光刻机的退偏器，工作波长位于深紫外波段，偏振片的质量很难保证，这更是对元部件的简易性提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种深紫外退偏器检测装置及检测方法。本发明的检测装置不使用偏振片，而是利用布儒斯特定律，采用表平面法线以光束布儒斯特角放置的平面镜或楔形板作为起偏镜和检偏镜，具有结构稳定、光路简洁、元部件易制造等特点。本发明提供了两种可选的实现检偏的技术手段，分别通过使用机械装置即旋转台装置来旋转入射平面，和使用半波片来改变光束振动方向的方法来完成。

本发明的检测原理如下：

经过退偏后的光束由完全退偏分量和线偏分量组成，即：

I_总＝I_退+I_线，

以布儒斯特角入射到布儒斯特检偏器上后，出射光强为：

式中的1/2、(0～1)分别为完全退偏光和线偏光在垂直于入射面上的分量(s光)的比例，其中线偏光的s光比例由自身振动方向和入射平面的角度决定，比例从0％到100％；式中的R_s为s光的能量反射率，可由菲涅耳公式给出；因此有：

所以可得到退偏后光束的偏振度P：

即可评价退偏器的退偏性能。

本发明的技术方案如下：

一种深紫外退偏器检测装置，其特点在于：包括沿单色光源出射光路依次放置的布儒斯特起偏镜、待测退偏器和布儒斯特检偏系统；所述的布儒斯特检偏系统包括布儒斯特检偏镜和探测器，由探测器记录出射强度；上述元部件在光路中的位置关系如下：所述的单色光源发出的光以布儒斯特角入射到所述的布儒斯特起偏镜，得到线偏振的反射光，该线偏振的反射光入射到所述的待测退偏器，该待测退偏器光轴与线偏振的反射光振动方向的角度关系由待测退偏器对入射光的要求决定，经待测退偏器退偏后的光束进入所述的布儒斯特检偏系统，以布儒斯特角入射到所述的布儒斯特检偏镜，经该布儒斯特检偏镜反射后，由所述的探测器接收。

所述的布儒斯特起偏镜和布儒斯特检偏镜的反射面为平面，所述的布儒斯特起偏镜和布儒斯特检偏镜的平面法线与入射光的夹角均为布儒斯特角，由布儒斯特定律可知，以布儒斯特角入射的光束，反射光为线偏光(s光)，振动方向垂直于入射面，由菲涅耳公式可计算出s光的反射率。

所述的布儒斯特检偏系统需要通过改变入射光束中的线偏成分在入射平面s分量的比重来完成检偏。本发明提供了两种技术实现手段，分别对应旋转入射平面或改变光束振动方向这两种方法。应当指出，凡根据本发明所述技术手段实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

所述的技术手段方案一为所述的布儒斯特检偏系统安装于旋转架装置上，该旋转架装置包括旋转架，旋转架的上端面上有至少两个共线的安装槽，所述的布儒斯特检偏镜和探测器依次安装于安装槽上，使布儒斯特检偏镜和探测器的光学中心的连线与入射光的夹角为两倍的布儒斯特角；旋转架的旋转轴沿入射光方向放置，绕轴旋转时旋转架装置以相同的角速度运动，使布儒斯特检偏镜的面法线与入射光的夹角始终为布儒斯特角，入射光的入射平面随旋转架旋转而旋转，线偏分量的振动方向和入射平面的夹角相应改变。

所述的技术手段方案二为所述的布儒斯特检偏系统中还包括半波片，经待测退偏器退偏后的光束垂直入射到所述的半波片，经该半波片调整光束振动方向后，以布儒斯特角入射到所述的布儒斯特检偏镜，经该布儒斯特检偏镜反射后，由探测器接收；由半波片的特性可知，退偏光经过半波片仍为退偏光，线偏光经过半波片振动方向旋转2θ，θ为线偏光与半波片光轴的夹角。

在入射到布儒斯特起偏镜前，可能需调整光束的方位、角度和尺寸。可采用平面镜组作为反射镜组，用于调整入射光方位和角度；可采用望远系统作为扩束镜组，用于将光束扩束至退偏器需要的尺寸。反射镜组和扩束镜组以及其他可能增加的元件都需要放置在布儒斯特起偏镜之前，以防止引入不确定相移。

所述的探测器为能量计，受实际能量计的接收面积影响，可能需要对最终的出射光束进行聚焦。可采用平凸透镜，后端面为平面，放置于能量计前，实现良好的聚焦效果。

利用本发明的一种深紫外退偏器检测装置进行退偏器性能检测的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：按上述的元部件及位置关系搭建检测装置；

步骤2：根据待测退偏器对入射光的要求，确定待测退偏器的光轴方向与入射的线偏光的振动方向的角度关系，固定待测退偏器；

步骤3：打开单色光源，使探测器接收到出射光强；通过旋转从待测退偏器出射的光束在布儒斯特检偏器上的入射平面或调整该光束的振动方向，改变该光束中的线偏成分在布儒斯特检偏器的入射平面上s分量的比重，使探测器接收到不同大小的出射光强；

步骤4：利用步骤3得到的出射光强的最大值I_max和最小值I_min，通过公式P＝(I_max-I_min)/(I_max+I_min)得到退偏光的偏振度P。

本发明的有益效果为：

(1)基于布儒斯特定律，采用平面镜或楔形板等表面为平面的光学元件作为起偏和检偏器件，制备容易，工艺难度低，解决了因深紫外波段下偏振检测元件(如高消光比的偏振片)制造困难而难以检测退偏器性能的问题。

(2)与现有技术相比，因平面镜或楔形板等光学元件可以方便地制造出适应退偏器的大尺寸，同时平面反射镜为理想成像元件，本发明的检测装置无需使用复杂的曲面反射系统即可对大尺寸退偏器进行有效的性能检测，具有结构稳定、光路简洁的特点。

(3)本发明的布儒斯特检偏系统检偏时无需缩束装置，扩束镜组等退偏器检测中常用的模块也可以放置于布儒斯特起偏镜之前，有效避免了不确定的相移。

附图说明

图1是本发明一种深紫外退偏器检测装置及检测方法的光路设计图。

图中，1、单色光源；2、布儒斯特起偏镜；3、待测退偏器；4、布儒斯特检偏系统；5、布儒斯特检偏镜；6、探测器。

图2是实施例一提供的一种深紫外退偏器检测装置的结构示意图。图中，11、准分子激光器；21、熔石英平面镜1；3、待测退偏器；4、布儒斯特检偏系统；51、熔石英平面镜2；61、紫外能量计1；71、反射镜组；72、反射式衰减镜；73、分光片；74、圆孔光阑；75、紫外能量计2；76、扩束镜组；77、装调平面镜；78、半波片；79、旋转台；80、平凸透镜；81、光陷阱；82、光陷阱；83、光陷阱。

图3是典型的双光楔退偏器结构图。

图4是实施例二提供的一种深紫外退偏器检测装置及检测方法的结构示意图。图中，11、准分子激光器；21、熔石英平面镜1；3、待测退偏器；4、布儒斯特检偏系统；51、熔石英平面镜2；61、紫外能量计；31、反射镜组；32、反射镜1；33、反射镜2；34、扩束镜组；35、平凸透镜；36、旋转架装置；37、旋转轴。

图5是实施例二中使用的旋转架装置的概念图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明一种深紫外退偏器检测装置及检测方法的光路设计图，以下实施例在此光路设计下，针对实际问题展开。

图2是本实施例提供的一种深紫外退偏器检测装置的结构示意图，所述的准分子激光器波长为193.4nm。

所述的反射镜组将光束调整到合适的入射角和方位，具体即平面镜1与水平面夹角为45°，平面镜2与水平面夹角为-32.66°。

所述的反射式衰减镜与光路夹角为100°，反射光束由光陷阱1吸收，透射光束入射到分光片上；反射式衰减镜的作用是削弱光强、保护后续器件。

所述的分光片与光路夹角为80°，反射光束经圆孔光阑后被紫外能量计2接收；这是为了检查激光器是否处在稳定工作状态，评估激光器的扰动对后续检测是否有影响；透射光束进入扩束镜组。

所述的扩束镜组为望远系统，入瞳直径为8mm，扩束倍率为11倍；扩束后光束以布儒斯特角入射到熔石英平面镜1上。

本实施例中衰减、分光、扩束等功能组件均在熔石英平面镜1之前，防止引入不确定相移；如根据其他现实需要，需添加其他功能组件，也必须放置在熔石英平面镜1之前。

所述的装调平面镜为调光路角度所需，正式检测前撤走。

所述的待测退偏器为典型的双光楔退偏器，请参阅图3，退偏原理如下：

入射光束为完全线偏振光，经过退偏器后的光束的stokes矢量为：

进一步得到偏振度P为：

其中，

θ为入射线偏振光的振动方向。当θ＝45°时，偏振度P达到最小，即

因此退偏器光轴呈45°放置。

本发明不仅局限于对双光楔退偏器的的检测，同样适应对其他类型的退偏器的检测。

所述的熔石英平面镜1和熔石英平面镜2均需保证垂直度误差0.1°以内；水平角度均为入射光布儒斯特角方向，具体即与入射光束夹角32.66°±0.5°方向。

所述的半波片安装与旋转台上，可在光束垂直平面上360°内旋转。

所述的平凸透镜后端面为平面，聚焦光束后被紫外能量计1接收。

检测时旋转半波片，记录紫外能量计1上获取的最大光强和最小光强，根据公式计算退偏光的偏振度P：

实施例2

先请参阅图4，图4是本实施例提供的一种深紫外退偏器检测装置及检测方法结构示意图，所述的准分子激光器波长为193.4nm。

所述的反射镜组为一对平面镜，反射镜1与水平面夹角为45°，反射镜2与水平面夹角为-32.66°；所述的扩束镜组为望远系统，入瞳直径为8mm，扩束倍率为11倍；光线扩束后以布儒斯特角入射至熔石英平面镜1；反射的线偏光入射至待测退偏器。

本实施例中扩束镜组在熔石英平面镜1之前，防止引入不确定相移；如有其他需要，需添加其他功能组件，也必须放置在熔石英平面镜1之前。所述的熔石英平面镜1需保证垂直度误差0.1°以内；水平角度为入射光布儒斯特角方向，具体即与入射光束夹角32.66°±0.5°方向。

所述的待测退偏器为典型的双光楔退偏器，请参阅图3，退偏原理请参阅实施例1，不再赘述。退偏器光轴与入射光振动方向夹角45°放置。

所述的熔石英平面镜2、平凸透镜、紫外能量计依次安装在旋转架装置上，请参阅图5，图5是实施例中使用的旋转架装置的概念图。

所述的旋转架装置上有三个共线的安装槽，可固定外径12mm的支杆，安装槽带锁紧孔，孔径为M6；旋转架上端面和底面固定座倾角为24.68°，熔石英平面镜2、平凸透镜、紫外能量计安装时光学中心与上端面距离一致；固定座固定于一个竖直面电动旋转台上，由电机控制可在竖直面上360°旋转；旋转轴沿入射光方向放置；绕轴旋转时整个系统以相同的角速度运动。

所述的熔石英平面镜2的表面与旋转架上端面夹角为32.66°，在旋转架系统绕轴旋转过程中，入射光始终以布儒斯特角入射。

所述的平凸透镜后端面为平面；所述的紫外能量计用来接收聚焦后的光束。

检测时电机控制旋转架装置绕旋转轴旋转，记录紫外能量计上获取的最大光强和最小光强，根据公式计算退偏光的偏振度P：

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，但不应以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种深紫外退偏器检测装置，其特征在于：包括沿单色光源(1)出射光路依次放置的布儒斯特起偏镜(2)、待测退偏器(3)和布儒斯特检偏系统(4)；所述的布儒斯特检偏系统(4)包括布儒斯特检偏镜(5)和探测器(6)，由探测器(6)记录出射强度；所述的布儒斯特起偏镜(2)和布儒斯特检偏镜(4)的反射面为平面，所述的布儒斯特起偏镜(2)和布儒斯特检偏镜(4)的平面法线与入射光的夹角均为布儒斯特角；上述元部件在光路中的位置关系如下：所述的单色光源(1)发出的光以布儒斯特角入射到所述的布儒斯特起偏镜(2)，得到线偏振的反射光，该线偏振的反射光入射到所述的待测退偏器(3)，该待测退偏器光轴与线偏振的反射光振动方向的角度关系由待测退偏器对入射光的要求决定，经待测退偏器(3)退偏后的光束进入所述的布儒斯特检偏系统(4)，以布儒斯特角入射到所述的布儒斯特检偏镜(5)，经该布儒斯特检偏镜(5)反射后，由所述的探测器(6)接收。

2.根据权利要求1所述的一种深紫外退偏器检测装置，其特征在于：所述的布儒斯特检偏系统(4)安装于旋转架装置上，该旋转架装置包括旋转架，旋转架的上端面上有至少两个共线的安装槽，所述的布儒斯特检偏镜(5)和探测器(6)依次安装于安装槽上，使布儒斯特检偏镜(5)和探测器(6)的光学中心的连线与入射光的夹角为两倍的布儒斯特角；旋转架的旋转轴沿入射光方向放置，绕轴旋转时旋转架装置以相同的角速度运动，使布儒斯特检偏镜(5)的面法线与入射光的夹角始终为布儒斯特角，入射光的入射平面随旋转架旋转而旋转。

3.根据权利要求1所述的一种深紫外退偏器检测装置，其特征在于：所述的布儒斯特检偏系统(4)中还包括半波片，经待测退偏器(3)退偏后的光束垂直入射到所述的半波片，经该半波片调整光束振动方向后，以布儒斯特角入射到所述的布儒斯特检偏镜(5)，经该布儒斯特检偏镜(5)反射后，由探测器(6)接收。

4.根据权利要求1所述的一种深紫外退偏器检测装置，其特征在于：所述的探测器(6)为能量计。

5.利用权利要求1-4任一所述的一种深紫外退偏器检测装置进行退偏器性能检测的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：按上述的元部件及位置关系搭建检测装置；

步骤2：根据待测退偏器(3)对入射光的要求，确定待测退偏器(3)的光轴方向与入射的线偏光的振动方向的角度关系，固定待测退偏器(3)；

步骤3：打开单色光源(1)，使探测器(6)接收到出射光强；通过旋转从待测退偏器(3)出射的光束在布儒斯特检偏器(5)上的入射平面或调整该光束的振动方向，改变该光束中的线偏成分在布儒斯特检偏器(5)的入射平面上s分量的比重，使探测器(6)接收到不同大小的出射光强；

步骤4：利用步骤3得到的出射光强的最大值I_max和最小值I_min，计算退偏光的偏振度P，P＝(I_max-I_min)/(I_max+I_min)。