CN112880987B - 光学元件的偏振性能检测方法及检测系统 - Google Patents

光学元件的偏振性能检测方法及检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学元件的偏振性能检测方法和一种偏振性能检测系统。利用光强‑琼斯矩阵模型分别计算光路系统在离线状态下和在线状态下的重构光强相对于实测光强的变化，基于光强变化和相应的重构后琼斯向量获得Γ矩阵的修正量，在理想Γ矩阵的基础上获得更匹配光学系统真实偏振性能的修正Γ矩阵，实现对偏振性能的标定，进而利用修正后的Γ矩阵可以得到光学元件的琼斯矩阵。根据修正后的Γ矩阵以及相应的琼斯矩阵可以检测该光学元件样品的偏振性能。通过联合离线和在线实测数据标定偏振性能，使所得到的修正Γ矩阵逼近所应用的光学系统的实际偏振性能的真实Γ矩阵，可以精确检测光学系统的偏振性能，进而有利于控制偏振像差，提高成像质量。

Description

光学元件的偏振性能检测方法及检测系统
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种光学元件的偏振性能检测方法以及一种光学元件的偏振性能检测系统。
背景技术
大规模集成电路制造的核心设备是光刻机，光刻成像的分辨率很大程度制约了集成电路的集成度。目前，偏振光照明和高NA(Numerical Aperture，数值孔径)光刻是提高分辨率的有效手段。当NA增大到一定程度时，光在像面的入射角相应地增大，偏振状态对干涉成像质量的影响变得不可忽略。现有技术对光刻机等大型高NA成像系统中投影物镜部分的偏振性能检测通常在离线测量装置上进行，但是，随着工艺技术的发展，对偏振性能的测量精度有了更高的要求，成像系统在实际使用时的状态相较于离线测量状态会有一些不可忽略的轻微变化，导致根据离线状态计算出的光强与在线状态的实测光强的一致性较差，不利于对偏振像差进行控制或补偿，进而影响成像质量的提高。
发明内容
本发明提供一种光学元件的偏振性能检测方法，将离线标定和在线修正结合，可以实现对光学元件样品应用的光路系统的偏振性能进行精确标定，进而可以精确地检测所述光学元件样品的偏振性能。本发明另外提供一种光学元件的偏振性能检测系统。
根据本发明的一方面，提供一种光学元件的偏振性能检测方法，包括以下步骤：
提供一光强-琼斯矩阵模型，所述光强-琼斯矩阵模型中，入射光在通过所述光学元件应用的光路系统后，出射光的光强是与所述光路系统的偏振态相关的Γ矩阵和所述光学元件的标准琼斯向量的乘积，所述标准琼斯向量的各个向量元素为所述光学元件的琼斯矩阵元素与复共轭的乘积；
在所述光路系统中应用一光学元件样品，并于所述光路系统的离线状态采集出射光的光强以获得第一实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第一重构光强，比较所述第一重构光强和所述第一实测光强，以得到离线光强变化；
于所述光路系统的在线状态，采集中心视场点的光强以得到第二实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第二重构光强，比较所述第二重构光强和所述第二实测光强，以得到中心视场点光强变化；
根据所述离线光强变化、所述中心视场点光强变化和相应的重构后的琼斯向量获得第一Γ矩阵修正量，利用所述第一Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到中心视场点修正Γ矩阵；以及
将所述第二实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到中心视场点琼斯矩阵。
可选的，所述标准琼斯向量中，各个所述琼斯矩阵元素与部分所述向量元素满足设定关系；在按照所述标准琼斯向量的格式进行重构时，根据生成的琼斯向量中的部分所述向量元素以及所述设定关系重构各个向量元素，以得到所述重构后的琼斯向量。
可选的，在得到所述中心视场点修正Γ矩阵后，所述偏振性能检测方法还包括：将所述第一实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到离线琼斯矩阵。
可选的，在获得所述离线光强变化和所述离线琼斯矩阵后，所述偏振性能检测方法还包括：
根据所述离线琼斯矩阵按照所述标准琼斯向量的格式构造琼斯向量，以得到离线琼斯向量；
于所述在线状态下，采集一非中心视场点的光强以得到第三实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第三重构光强，比较所述第三重构光强和所述第三实测光强，以得到非中心视场点光强变化；
基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵；以及
将所述第三实测光强和所述非中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
可选的，所述光学元件样品为光刻机的投影物镜样品，所述光路系统的偏振态与所述投影物镜样品的物面偏振元件和像面偏振元件的方位角相关。
可选的，所述物面偏振元件和所述像面偏振元件均包括偏振片和波片。
可选的，在所述离线状态下，分别在所述投影物镜在所述波片为不同旋转角度下采集所述第一实测光强。
可选的，所述不同旋转角度分别为0°和90°。
可选的，在所述在线状态下，分别按照不同上载角度上载标记掩模，并采集所述第二实测光强。
可选的，所述不同上载角度分别为0°和180°。
可选的，所述标记掩模为0°和180°对称布局的偏振掩模版。
一个方面，本发明提供一种光学元件的偏振性能检测系统，包括：
存储模块，所述存储模块存储有一光强-琼斯矩阵模型，所述光强-琼斯矩阵模型中，入射光在通过所述光学元件应用的光路系统后，出射光的光强是与所述光路系统的偏振态相关的Γ矩阵和所述光学元件的标准琼斯向量的乘积，所述标准琼斯向量的各个向量元素为所述光学元件的琼斯矩阵元素与复共轭的乘积；
离线标定模块，用于在所述光路系统中应用一光学元件样品后，于所述光路系统的离线状态采集出射光的光强以获得第一实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第一重构光强，比较所述第一重构光强和所述第一实测光强，以得到离线光强变化；
在线修正模块，所述在线修正模块包括第一修正单元，所述第一修正单元用于：在所述光路系统的在线状态采集中心视场点的光强以得到第二实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第二重构光强，比较所述第二重构光强和所述第二实测光强，以得到中心视场点光强变化；根据所述离线光强变化、所述中心视场点光强变化和相应的重构后的琼斯向量获得第一Γ矩阵修正量，利用所述第一Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到中心视场点修正Γ矩阵；将所述第二实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到中心视场点琼斯矩阵。
可选的，所述第一修正单元还用于将所述第一实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到离线琼斯矩阵。
可选的，所述在线修正模块还包括第二修正单元，所述第二修正单元用于：在所述在线状态下采集一非中心视场点的光强以得到第三实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第三重构光强，比较所述第三重构光强和所述第三实测光强，以得到非中心视场点光强变化；基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵；将所述第三实测光强和所述非中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
本发明提供的光学元件的偏振性能检测方法，先利用上述光强-琼斯矩阵模型得到光路系统在离线状态下的第一重构光强，并通过与第一实测光强比较得到离线光强变化，然后在光路系统为在线状态时，利用上述光强-琼斯矩阵模型得到中心视场点对应的第二重构光强，并通过与第二实测光强比较得到中心视场点光强变化，接着根据所述离线光强变化、所述中心视场点光强变化和相应的重构后的琼斯向量获得第一Γ矩阵修正量，利用所述第一Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到中心视场点修正Γ矩阵，实现对Γ矩阵的标定，并利用中心视场点修正Γ矩阵进一步得到中心视场点琼斯矩阵。根据标定后的Γ矩阵以及中心视场点琼斯矩阵，可以检测该光学元件样品在光学系统中的偏振性能。该偏振性能检测方法通过联合在线实测数据和离线实测数据，使所得到的中心视场点修正Γ矩阵逼近所应用的光学系统的实际偏振性能的真实Γ矩阵，利用中心视场点修正Γ矩阵以及中心视场点琼斯矩阵，可以精确检测光学系统的偏振性能，进而有利于控制偏振像差，提高成像质量。
进一步的，可以借助上述离线状态和在线状态下对中心视场点的修正结果来得到离线状态和在线状态的差异，并转移到对中心视场点外的其它视场点(即非中心视场点)对应的Γ矩阵的修正。具体的，可以通过上述中心视场点修正Γ矩阵和第一实测光强计算离线琼斯矩阵，并构造出离线琼斯向量，对于非中心视场点，在采集实测光强数据并得到相应的第三重构光强后，可以基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵，实现对非中心视场点的Γ矩阵的修正，利用非中心视场点修正Γ矩阵进一步可以得到非中心视场点琼斯矩阵。根据标定后的Γ矩阵以及非中心视场点琼斯矩阵，可以更全面和精确地检测光学元件的偏振性能。
本发明提供的光学元件的偏振性能检测系统，包括存储模块、离线标定模块以及在线修正模块，所述偏振性能检测系统与上述偏振性能检测方法具有相同或相近的技术特征，因而也具有类似的优点。
附图说明
图1是本发明实施例采用的物镜偏振检测装置的结构示意图。
图2是本发明实施例采用的物镜偏振检测装置的光路示意图。
图3是本发明实施例的光学元件的偏振性能检测方法的流程示意图。
图4是一种利用现有算法得到的仿真光强和实测光强的对比图。
图5是利用本发明实施例的光学元件的偏振性能检测方法计算得到的仿真光强和实测光强的对比图。
具体实施方式
随着光刻技术发展，光刻机从干式发展至浸没式，光刻机投影物镜的数值孔径也在增加，物面和像面引起的偏振性能对物镜的成像质量尤其是偏振像差的影响不可忽略，因此需要对投影物镜的偏振像差进行检测，通过对位于投影物镜的物面和像面的偏振元件的偏振性能进行标定，有助于精确检测所述投影物镜的偏振性能，并且有利于控制偏振像差。下文中的偏振性能检测方法和检测系统尤其适用于带NA的成像系统，这类光学系统由于物面汇聚镜和像面准直镜的存在，无法使用偏振器件进行标定，而需要设计一个物镜样品匹配物面入射、像面出射的NA，通过采集出射光的光强，计算与光路实际偏振性能匹配的系数矩阵，从而可以实现对位于投影物镜的物面和像面的偏振元件的偏振性能的标定。本发明所提供的检测方法和检测系统可用于各种模式的光刻机以及光刻机以外的成像系统，如显微镜、望远镜等等。
以下结合附图和具体的实施例对本发明的光学元件的偏振性能检测方法及检测系统作进一步详细说明。应当理解，下述实施例仅是应用本发明的示例性的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。除非另有其它说明，否则不同附图中的相应的数字和标号通常涉及相应的部件。并且，下文中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够不同于本文所述的或所示的其它顺序来操作。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
图1是本发明一实施例采用的物镜偏振检测装置的结构示意图。图2是本发明一实施例采用的物镜偏振检测装置的光路示意图。本实施例中，利用图中所示的物镜偏振检测装置对其中物镜样品的物面和像面的偏振性能进行标定，该物镜偏振检测装置可以在离线状态下使用，也可以在装配到整机后于在线状态下使用，但由于装配和使用等过程可能产生的轻微变化，下文中的标定采用了离线标定和在线修正结合的方法。
参照图1和图2，所述物镜偏振检测装置包括多个偏振态调制单元(polarizationstate modulate unit，PSMU)，分别示为PSMU1、PSMU2、PSMU3、...，每个偏振态调制单元的光路通过对应的掩模版上的相应位置。本实施例中，利用两块掩模版，对二十四个偏振态调制单元的光路作了检测。沿从光源IL发出的入射光的光路，每个偏振态调制单元包括第一起偏器件P1、第一波片Q1、会聚透镜L1、离线物镜样品(PL)、准直透镜L2、第二波片Q2、第二起偏器件P2以及光线探测器(ISCMOS)。入射光S从通过物面模块(包括第一起偏器件P1、第一波片Q1、会聚透镜L1)后，偏振态发生变化，成为光线S'进入物镜，并从像面模块(包括准直透镜L2、第二波片Q2、第二起偏器件P2)，偏振态发生变化，成为光线S”进入光线探测器，从光线探测器可以采集到出射光的光强。
图3是本发明一实施例的光学元件的偏振性能检测方法的流程示意图。参照图3，以下首先对利用所述检测方法标定物镜样品的中心视场点对应的Γ矩阵以及获得中心视场点琼斯矩阵的过程进行说明。
在模型构建步骤S1中，提供了一光强-琼斯矩阵模型，该光强-琼斯矩阵模型中，入射光在通过所述光学元件应用的光路系统后，出射光的光强是与所述光路系统的偏振态相关的Γ矩阵和所述光学元件的标准琼斯向量的乘积，所述标准琼斯向量的各个向量元素为所述光学元件的琼斯矩阵元素与复共轭的乘积。本实施例中，所述光学元件例如是投影物镜，所述投影物镜应用的光路系统例如是光刻机，通过对投影物镜的物面偏振元件和像面偏振元件的偏振性能进行标定，便于检测投影物镜的偏振性能。所述光强-琼斯矩阵模型的具体推导过程如下。
结合图1和图2，所述物镜偏振检测装置中光线探测器测得的光强可通过关系式(1)表示：
I＝E* out*Eout (1)
其中，*Eout为与光线探测器测得的光强对应的电场强度，而偏振元件的偏振性能可以通过琼斯矩阵来表示，进一步的，根据光的传播公式，Eout与所述物镜偏振检测装置中各个元件的琼斯矩阵之间的关系可通过关系式(2)表示：
Eout＝JP2*JQ2*JL2*JPL*JL1*JQ1*JP1*Ein (2)
其中，Ein为与入射光S的光强对应的电场强度，各个琼斯矩阵的下标代表物镜光路中的各个元件(P1：第一起偏器件；Q1：第一波片；L1：会聚透镜；PL：物镜样品；L2：准直透镜；Q2：第二波片；P2：第二起偏器件)。可见，光线探测器所测的光强I与物镜样品PL的琼斯矩阵有关，还与物镜光路中物面和像面的各个元件的偏振性能有关。
本实施例中，第一起偏器件P1、第一波片Q1、第二波片Q2、第二起偏器件P2用于对光的偏振态进行调制，起偏器件的琼斯矩阵JP和波片的琼斯矩阵JQ分别可以表示为：
Figure BDA0002296560490000091
其中R是旋转矩阵，α代表旋转角，其表达式为：
Figure BDA0002296560490000092
可以定义θP1、θP1、θQ1、θQ2分别是对上述P1、P2、Q1、Q2的方位角，通过改变偏振光学元件(如P1、P2、Q1、Q2)的方位角，可以形成不同的参数组合，进而得到不同的偏振态调制。具体的，对关系式(1)和(2)作进一步推导，可以得到关系式(3)：
I＝Eout **Eout＝U·JPL *·M·JPL *·D (3)
其中，U、M、D三个矩阵满足如下关系：
U＝Ein *·JP1 *·JQ1 *·JL1
M＝JL2 *·JQ2 *·JP2 *·JP2·JQ2·JL2
D＝JL1·JQ1·JP1·Ein
U、M、D可以表示为：
U＝[U1 U2]，
Figure BDA0002296560490000101
进一步简化，可以将光线探测器所测的光强简化为投影物镜的琼斯矩阵元素及其复共轭乘积的一次函数，即关系式(5)：
Figure BDA0002296560490000102
其中，Ji,j和Jk，l表示琼斯矩阵元素，下标i、j、k、l表示各个琼斯矩阵元素在琼斯矩阵中的位置，因而取值为1或2。λ为每个琼斯矩阵元素及其复共轭乘积的系数，其为上述U、M、D三个矩阵的乘积，即为上述P1、P2、Q1、Q2的方位角的函数，λ进一步可以表示为关系式(6)：
λi,j,k,l＝Ul·Mk,i·Dj (6)
代入U、M、D，光线探测器所测的光强的完整定量表达式可以通过关系式(7)表示：
I＝U1M11D1Jxx *Jxx+U1M11D2Jxx *Jxy+U1M12D1Jxx *Jyx+U1M12D2Jxx *Jyy+U1M21D1Jyx *Jxx+U1M21D2Jyx *Jxy+U1M22D1Jyx *Jyx+U1M22D2Jyx *Jyy+U2M11D1Jxy *Jxx+U2M11D2Jxy *Jxy+U2M12D1Jxy *Jyx+U2M12D2Jxy *Jyy+U2M21D1Jyy *Jxx+U2M21D2Jyy *Jxy+U2M22D1Jyy *Jyx+U2M22D2Jyy *Jyy
＝λ1J1+λ2J2+λ3J3+λ4J4+λ5J5+λ6J6+λ7J7+λ8J8+λ9J9+λ10J10+λ11J11+λ12J12+λ13J13+λ14J14+λ15J15+λ16J16 (7)
其中，(λ1，λ2，...，λ16)构成一个Γ向量，其代表处于特定偏振态下的调制单元(PSMU)下第二波片Q2转动到特定角度时偏振像差传感器的状态。全部的偏振态调制单元下第二波片Q2所有角度的Γ向量构成Γ矩阵。
标准琼斯向量可通过关系式(8)表示：
Figure BDA0002296560490000111
根据关系式(7)及(8)，上述J向量中的琼斯矩阵元素满足关系式(9)：
Figure BDA0002296560490000112
根据关系式(8)及(9)可见，在通过已知光强和已知的Γ矩阵计算得到一琼斯向量后，可以根据其中的部分向量元素(本实施例中为J1、J5、J9以及J13)重构出一个新的琼斯向量(称为重构琼斯向量)，该重构琼斯向量严格满足关系式(8)的排列格式，即为标准琼斯向量。进而，通过该重构J向量与已知的Γ矩阵反过来可以计算得到一个新的光强(称为重构光强)。
可见，本实施例的光强-琼斯矩阵模型中，对于上述物镜偏振检测装置，改变P1、P2、Q1、Q2的方位角，可以获得不同的偏振参数组合(即不同的偏振态)，对于任一偏振参数组合，均可以利用光线探测器测量得到对应的光强(称为实测光强)，各次测量得到的实测光强可分别表示为I1、I2、I3、......、In，n代表测量次数。利用线性代数理论，可以得到关系式(10)：
Figure BDA0002296560490000121
关系式(10)中，x表示1，y表示2，x，y组合成的下标表示的是琼斯矩阵元素的各种组合形式。等式左边的矩阵为光强矩阵，包括n×1个元素，分别代表光学元件(本实施例中为物镜PL)在不同偏振参数组合下对应的光强。在等式右边，琼斯矩阵元素乘积构成的矩阵包括16×1个元素，每个元素为一个琼斯矩阵元素与其复共轭的乘积。λ元素构成的矩阵为系数矩阵，其包括n×16个元素，其中行数n为测量次数，列数为16，分别对应琼斯矩阵元素及其复共轭乘积的系数。
将关系式(10)简写后可以得到关系式(11)：
I＝Γ(n)X (11)
关系式(11)中，矩阵I为光强矩阵。上述系数矩阵表示为矩阵Γ(n)，称为Γ矩阵，本实施例中Γ矩阵包含了上述物镜偏振检测装置的物面和像面的偏振信息。矩阵X为投影物镜的琼斯矩阵元素及其复共轭乘积构成的矩阵。根据关系式(11)，后续可以根据Γ矩阵和实测光强求解投影物镜样品的琼斯矩阵。
本实施例的光强-琼斯矩阵模型应用了上述关系，可以通过关系式(11)计算中的任一个矩阵，也可以通过关系式(8)和(9)对矩阵计算得到的琼斯向量按照标准琼斯向量的格式进行重构。
实际应用中，光学元件样品应用到一光路系统后，Γ矩阵需要通过一系列标定测试，在理想Γ矩阵的基础上，考虑系统误差对Γ矩阵的贡献，进而得到光学元件所应用的光学系统对应的Γ矩阵。此处理想Γ矩阵指的是Γ矩阵的理论设计值，其通常是已知的。
为了对光路系统中的光学元件的偏振性能进行精确标定和检测，本实施例采用在线实测数据联合离线旋转样品标定数据的方式，对理想Γ矩阵进行标定，使其逼近真实Γ矩阵，进而计算与真实Γ矩阵匹配的琼斯矩阵，便于检测光学元件的偏振性能。具体来说，首先通过在如图1所示的物镜偏振检测装置上进行离线标定，考虑到当投影光学系统集成到线上整机时，物面模块和像面模块的相对位置相较于在离线标定时的状态很可能发生了轻微变化，优选将整机上的线上测试结果与离线测试结果的差异进行修正。因此，本实施例一方面借助离线标定数据对中心视场点对应的Γ矩阵及中心视场点琼斯矩阵进行标定，另一方面，对于中心视场点外的其它视场点，采用的是借助中心视场点Γ矩阵的修正结果，通过离线标定的物镜样品对应的离线琼斯矩阵进行传递，来实现Γ矩阵的修正。
具体的，参照图1至图3，本发明实施例的光学元件的偏振性能检测方法包括离线标定步骤S2。在离线标定步骤中，光学元件(本实施例为物镜样品)被应用于一光路系统(本实施例为光刻机的投影物镜光路)，在所述光路系统为离线状态下，先采集出射光的光强以获得第一实测光强，然后利用所述光强-琼斯矩阵模型和理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第一重构光强，比较所述第一重构光强和所述第一实测光强，以得到离线光强变化。
在所述离线状态下，可以分别在物镜样品在物面偏振元件(本实施例可以是第二波片Q2，如图1所示)为不同旋转角度式采集出射光的光强。作为一个示例，对于同一个偏振态调制单元(PSMU)，离线标定步骤S2可包括以下过程：
(a)采用物镜样品为0°状态时中心视场点的离线实测光强I0(作为第一实测光强)，利用关系式(11)，代入理想Γ矩阵，即根据J＝Γ\I0，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，得到重构琼斯向量J0；
(b)采集物镜样品90°状态时的光强(作为第一实测光强)，将步骤(a)计算得到的琼斯光瞳旋转90°，并通过与步骤(a)类似的方式，得到旋转后的琼斯矩阵对应的重构琼斯向量J90；
(c)利用关系式(11)，仍然设定矩阵Γ为理想Γ矩阵，利用重构后的琼斯向量J0和J90，根据I′＝Γ*J′计算I'，分别计算得到物镜样品为0°与90°状态时的离线重构光强I′0和I′90(作为第一重构光强)；
(d)比较物镜样品为0°状态时的离线重构光强和离线实测光强，获得相应的离线光强变化ΔI0，并比较物镜样品为90°状态时的离线重构光强和离线实测光强，获得相应的离线光强变化ΔI90。
利用上述步骤，可以对物镜偏振检测装置的全部偏振态调制单元均进行测量并计算，得到物镜样品在不同旋转角度下相应的离线重构光强和实测光强的差值，即得到了离线光强变化。
上述实施例中，由于根据关系式(11)得到的琼斯向量不一定满足关系式(8)所示的排列格式，而根据关系式(9)可知，标准琼斯向量中各个所述琼斯矩阵元素与部分所述向量元素满足设定的关系，因而可以在按照所述标准琼斯向量对根据关系式(11)生成的琼斯向量进行重构，其中，根据生成的琼斯向量中的部分所述向量元素(例如J1、J5、J9、J13)以及所述设定关系(此处为关系式(8)和(9))重构各个向量元素，来得到重构后的琼斯向量，该方法在后续对矩阵计算得到的琼斯向量进行重构时也可以使用。
离线标定是在离线标定台上进行的，但是当物面模块和像面模块集成到测试台整机上时，物面模块和像面模块的相对位置，相较于在离线测试台上的状态，可能会发生轻微变化。因此在通过离线标定获得重构后的琼斯向量后，还利用了在线测试数据及计算结果，就对理想Γ矩阵进行修正。
接着可以执行第一在线修正步骤S3。在线修正时，上述离线标定中采用的偏振态调制单元(包括物镜样品)被集成到在线系统。本实施例中，利用第一在线修正步骤S3联合离线状态和在线状态得到的重构光强对中心视场点对应的Γ矩阵进行修正，以对物镜样品的中心视场点对应的偏振性能进行标定。
在第一在线修正步骤S3中，首先，可以采集中心视场点的光强以得到第二实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第二重构光强，比较所述第二重构光强和所述第二实测光强，以得到中心视场点光强变化；然后，基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵；接着，将所述第三实测光强和所述非中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
具体的，在所述在线状态下，可以分别按照不同上载角度上载标记掩模，以采集中心视场点的光强，可以利用理想的Γ矩阵计算琼斯矩阵并重构琼斯向量，基于重构的琼斯向量计算不同上载角度下的所述物镜中心视场点对应的第一在线重构光强。具体的，本实施例在在线修正时采用的标记掩模为180度对称布局的偏振掩模版。利用对称布局的偏振掩模版，对于中心视场点对应的偏振态调制单元，无论标记掩模是0°上版还是180°上版，测量的均是同一个中心视场点，因此测试结果应该相同。如果0°上版和180°上版测试结果不同，则可认为该差异是由于物面模块和像面模块实测状态的相对位置系统误差导致的。作为一个示例，获得非中心视场点的光强变化的过程如下：
(a)利用对称布局的标记掩模，分别以0°和180°上版，选择中心视场点对应的偏振态调制单元，采集0°上版时的光强I0和180°上版时的光强I180(作为第二实测光强)；
(b)利用对应0°上版时的光强I0和理想Γ矩阵，根据关系式(11)，生成琼斯向量并按照标准琼斯向量的格式对其进行重构，得到重构后的琼斯向量，分别为对应0°上版的重构琼斯向量J0′、对应180°上版的重构琼斯向量J180′，根据I′＝Γ*J′计算I′，分别得到对应0°上版的重构光强I0′和对应180°上版的重构光强I180′(作为第二重构光强)；
(c)分别对0°上版和180°上版的重构光强和实测光强进行比较，得到对应0°上版的光强变化ΔI'0和对应180°上版的光强变化ΔI'180；
(d)将光强变化ΔI'0和ΔI'180联合离线标定得到的物镜样品旋转角度分别为0°和90°时光强变化ΔI0和ΔI90，计算第一Γ矩阵修正量，计算采用如下关系式(12)，
(ΔI0，ΔI90，ΔI'0,ΔI'180)＝ΔΓ*(J0，J90，J'0,J'180) (12)
其中，ΔΓ为第一Γ矩阵修正量，其是修正后的中心视场点相对于理想Γ矩阵的修正量，因而，根据ΔΓ，可以得到对应于中心视场点的修正后的Γ矩阵，即中心视场点修正Γ矩阵，所述中心视场点修正Γ矩阵更准确地体现了物镜样品的物面和像面的偏振信息；
(e)根据上面得到的中心视场点修正Γ矩阵，以及第二实测光强，代入关系式(11)，利用生成的琼斯向量结合关系式(9)可以构造得到中心视场点琼斯矩阵。
为了利用离线标定数据对在线状态下的中心视场点以外的点进行Γ矩阵，在获得中心视场点修正Γ矩阵后，本实施例中，第一在线修正步骤S3还包括：将离线标定步骤S2得到的第一实测光强和第一在线修正步骤S3得到的中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到离线琼斯矩阵(Jsample)。所述离线琼斯矩阵后续可以用来对物镜样品的非中心视场点对应的Γ矩阵进行修正。所述离线琼斯矩阵和中心视场点琼斯矩阵可以保存在计算装置的存储器中以便于引用。
对于在线状态下的中心视场点以外的其它视场点(即非中心视场点)的修正，本实施例利用上述步骤对中心视场点的Γ矩阵修正，考虑入离线标定状态与在线修正状态的差异，接着可以通过离线标定的数据进行传递，来实现对中心视场点以外的其它视场点的修正。
具体的，本实施例的偏振性能的检测方法还可以包括第二在线修正步骤S4。所述第二在线修正步骤S4可包括以下过程：根据所述离线琼斯矩阵按照所述标准琼斯向量的格式构造琼斯向量，以得到离线琼斯向量；于所述在线状态下，采集一非中心视场点的光强以得到第三实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第三重构光强，比较所述第三重构光强和所述第三实测光强，以得到非中心视场点光强变化；基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵；将所述第三实测光强和所述非中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
非中心视场点光强变化记为ΔI，其中重构琼斯向量的过程可以采用与离线标定步骤和第一在线修正步骤类似的方法。作为一个示例，在获得非中心视场点光强变化ΔI后，第二在线修正步骤S4可包括以下过程：
(a)调用利用关系式(11)，利用上一步骤获得的修正后的离线样品琼斯矩阵Jsample，生成物镜样品在0°状态时的琼斯向量J0″和90°状态时的琼斯向量J90″；
(b)将对应于非物镜中心视场点的光强变化ΔI，联合离线标定得到的物镜样品旋转角度分别为0°和90°时光强变化ΔI0和ΔI90(可以根据离线状态下的中心视场点或非中心视场点对应的实测光强和重构光强进行计算得到)，以及J′、J0″和J90″，计算第二Γ矩阵修正量，计算采用如下关系式(13)，
(ΔI0,ΔI90,ΔI)＝ΔΓ*(J0,J90,J′) (13)
关系式(13)中，ΔΓ为第二Γ矩阵修正量，其作为非中心视场点对应的理想Γ矩阵的修正量，因而，根据第二Γ矩阵修正量，可以得到对应于非中心视场点的修正Γ矩阵，即非中心视场点修正Γ矩阵，该非中心视场点修正Γ矩阵体现了物镜样品的非中心视场点对应的物面和像面的偏振信息；
(c)根据非中心视场点修正Γ矩阵，以及对应该非中心视场点的第三实测光强，代入关系式(11)，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
可见，利用本实施例描述的光学元件的偏振性能的检测方法，利用离线标定和在线修正相结合的方式，使所得到的中心视场点修正Γ矩阵和非中心视场点修正Γ矩阵逼近所应用的光学系统的实际偏振性能匹配的真实Γ矩阵，通过对物镜样品的物面和像面的偏振性能进行标定，可以精确检测更更换调节的某一物镜样品在应用的光学系统中的偏振性能，进而有利于控制偏振像差，提高成像质量。
利用本实施例得到的修正后的Γ矩阵和匹配的琼斯矩阵，可以通过关系式(11)进行仿真光强计算，通过与实测光强进行比较，可以判断出上述偏振性能的检测方法的精确程度。图4是一种利用现有算法得到的仿真光强和实测光强的对比图。图5是利用本发明实施例的光学元件的偏振性能检测方法计算得到的仿真光强和实测光强的对比图。参照图4和图5可见，仿真试验数据表明，采用本发明实施例的光学元件的偏振性能标定方法，，计算得到的仿真光强与实验采集的实测光强具有更佳的一致性，验证了本实施例的检测方法能够对光学元件应用的光学系统进行精确地偏振性能检测，有助于对偏振像差进行精确控制或补偿，提高成像质量。
本发明实施例还包括一种光学元件的偏振性能检测系统，所述光学元件的偏振性能检测系统包括存储模块、离线标定模块以及在线修正模块所述测量装置可以是一种硬件平台，其中可包括个人计算机、服务器网络连接设备等。
具体来说，所述存储模块存储有一光强-琼斯矩阵模型，所述光强-琼斯矩阵模型中，入射光在通过所述光学元件应用的光路系统后，出射光的光强是与所述光路系统的偏振态相关的Γ矩阵和所述光学元件的标准琼斯向量的乘积，所述标准琼斯向量的各个向量元素为所述光学元件的琼斯矩阵元素与复共轭的乘积。所述存储模块也可以存储有可执行指令，例如，下述离线标定模块和在线修正模块中涉及的执行指令可以存储于所述存储模块，当所述离线标定模块和在线修正模块执行相应功能时，处理器读取存储模块中的相应指令进行处理，处理结果再被反馈至对应的离线标定模块或在线修正模块。所述存储模块可以是随机存取存储器(RAM)、随机只读存储器(ROM)、硬盘、磁碟、光盘、中央处理单元(CPU)中的寄存器、经由通信线路的外部存储设备(或介质)等等。
所述离线标定模块可以利用离线实测数据进行离线标定，具体用于在所述光路系统中应用一光学元件样品后，于所述光路系统的离线状态采集出射光的光强以获得第一实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第一重构光强，比较所述第一重构光强和所述第一实测光强，以得到离线光强变化。
考虑到离线状态和在线状态光学元件的偏振态可能发生不可忽略的变化，因此本实施例利用所述在线修正模块来联合离线标定模块获得的实测和计算结果，对所述光路系统的偏振态相关的Γ矩阵进行在线修正。具体的，所述在线修正模块可包括主要对中心视场点相关的数据进行修正的第一修正单元和主要对非中心视场点相关的数据进行修正的第二修正单元。
具体的，第一修正单元可实现如下功能：在所述光路系统的在线状态采集中心视场点的光强以得到第二实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第二重构光强，比较所述第二重构光强和所述第二实测光强，以得到中心视场点光强变化；根据所述离线光强变化、所述中心视场点光强变化和相应的重构后的琼斯向量获得第一Γ矩阵修正量，利用所述第一Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到中心视场点修正Γ矩阵；将所述第二实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到中心视场点琼斯矩阵。所述第二修正单元可用于实现如下功能：在所述在线状态下采集一非中心视场点的光强以得到第三实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第三重构光强，比较所述第三重构光强和所述第三实测光强，以得到非中心视场点光强变化；基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵；将所述第三实测光强和所述非中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
可以看出，通过上述的光学元件的偏振性能检测系统，可以通过联合在线实测数据和离线测试数据，使所得到的中心视场点修正Γ矩阵逼近所应用的光学系统的实际偏振性能的真实Γ矩阵，利用中心视场点修正Γ矩阵以及中心视场点琼斯矩阵，可以精确检测光学系统的偏振性能，进而有利于控制偏振像差，提高成像质量。由于与前述的光学元件的偏振性能检测方法具有相同或类似的特征，因而相关之处可以参照理解。
根据本发明的实施例，上述存储模块、离线标定模块、在线修正模块中的一个或多个装置的至少部分功能可以与其他装置的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。因此，上述存储模块、离线标定模块、在线修正模块也可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个子模块。上述离线标定模块、在线修正模块中的至少一个可以被至少部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路(ASIC)，或可以按照对电路进行集成或封装的任何其它合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式的适当组合来实现。或者，上述离线标定模块和在线修正模块中的至少一个可以被至少部分地实现为计算机程序模块，当该程序被计算机运行时，可以执行相应模块的功能。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (14)

1.一种光学元件的偏振性能检测方法，其特征在于，包括：
提供一光强-琼斯矩阵模型，所述光强-琼斯矩阵模型中，入射光在通过要检测偏振性能的光学元件所应用的光路系统后，出射光的光强是与所述光路系统的偏振态相关的Γ矩阵即伽马矩阵和所述光学元件的标准琼斯向量的乘积，所述标准琼斯向量的各个向量元素为所述光学元件的琼斯矩阵元素与复共轭的乘积，所述Γ矩阵为将所述标准琼斯向量转换为出射光的光强时采用的系数矩阵，所述光路系统包括偏振光学元件，以通过改变所述偏振光学元件的参数组合，获得不同的偏振态调制；
在所述光路系统中应用所述光学元件，并于所述光路系统的离线状态采集出射光的光强以获得第一实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第一重构光强，比较所述第一重构光强和所述第一实测光强，以得到离线光强变化；
于所述光路系统的在线状态，采集中心视场点的光强以得到第二实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第二重构光强，比较所述第二重构光强和所述第二实测光强，以得到中心视场点光强变化；
根据所述离线光强变化、所述中心视场点光强变化和相应的重构后的琼斯向量获得第一Γ矩阵修正量，利用所述第一Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到中心视场点修正Γ矩阵；以及
将所述第二实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到中心视场点琼斯矩阵。
2.如权利要求1所述的偏振性能检测方法，其特征在于，所述标准琼斯向量中，各个所述琼斯矩阵元素与部分所述向量元素满足设定关系；在按照所述标准琼斯向量的格式进行重构时，根据生成的琼斯向量中的部分所述向量元素以及所述设定关系重构各个向量元素，以得到所述重构后的琼斯向量。
3.如权利要求1所述的偏振性能检测方法，其特征在于，在得到所述中心视场点修正Γ矩阵后，所述偏振性能检测方法还包括：将所述第一实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到离线琼斯矩阵。
4.如权利要求3所述的偏振性能检测方法，其特征在于，在获得所述离线光强变化和所述离线琼斯矩阵后，所述偏振性能检测方法还包括：
根据所述离线琼斯矩阵按照所述标准琼斯向量的格式构造琼斯向量，以得到离线琼斯向量；
于所述在线状态下，采集一非中心视场点的光强以得到第三实测光强，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第三重构光强，比较所述第三重构光强和所述第三实测光强，以得到非中心视场点光强变化；
基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵；以及
将所述第三实测光强和所述非中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
5.如权利要求1至4任一项所述的偏振性能检测方法，其特征在于，所述光学元件为光刻机的投影物镜样品，所述光路系统的偏振态与所述投影物镜样品的物面偏振元件和像面偏振元件的方位角相关。
6.如权利要求5所述的偏振性能检测方法，其特征在于，所述物面偏振元件和所述像面偏振元件均包括偏振片和波片。
7.如权利要求6所述的偏振性能检测方法，其特征在于，在所述离线状态下，分别在所述波片为不同旋转角度下采集所述第一实测光强。
8.如权利要求7所述的偏振性能检测方法，其特征在于，所述不同旋转角度分别为0°和90°。
9.如权利要求5所述的偏振性能检测方法，其特征在于，在所述在线状态下，分别按照不同上载角度上载标记掩模，并采集所述第二实测光强。
10.如权利要求9所述的偏振性能检测方法，其特征在于，所述不同上载角度分别为0°和180°。
11.如权利要求9所述的偏振性能检测方法，其特征在于，所述标记掩模为0°和180°对称布局的偏振掩模版。
12.一种光学元件的偏振性能检测系统，其特征在于，包括：
存储模块，所述存储模块存储有一光强-琼斯矩阵模型，所述光强-琼斯矩阵模型中，入射光在通过要检测偏振性能的光学元件所应用的光路系统后，出射光的光强是与所述光路系统的偏振态相关的伽马矩阵即Γ矩阵和所述光学元件的标准琼斯向量的乘积，所述标准琼斯向量的各个向量元素为所述光学元件的琼斯矩阵元素与复共轭的乘积，所述Γ矩阵为将所述标准琼斯向量转换为出射光的光强时采用的系数矩阵，所述光路系统包括偏振光学元件，以通过改变所述偏振光学元件的参数组合，获得不同的偏振态调制；
离线标定模块，用于在所述光路系统中应用所述光学元件后，于所述光路系统的离线状态采集出射光的光强以获得第一实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第一重构光强，比较所述第一重构光强和所述第一实测光强，以得到离线光强变化；以及
在线修正模块，所述在线修正模块包括第一修正单元，所述第一修正单元用于：在所述光路系统的在线状态采集中心视场点的光强以得到第二实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第二重构光强，比较所述第二重构光强和所述第二实测光强，以得到中心视场点光强变化；根据所述离线光强变化、所述中心视场点光强变化和相应的重构后的琼斯向量获得第一Γ矩阵修正量，利用所述第一Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到中心视场点修正Γ矩阵；将所述第二实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到中心视场点琼斯矩阵。
13.如权利要求12所述的偏振性能检测系统，其特征在于，所述第一修正单元还用于将所述第一实测光强和所述中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到离线琼斯矩阵。
14.如权利要求13所述的偏振性能检测系统，其特征在于，所述在线修正模块还包括第二修正单元，所述第二修正单元用于：在所述在线状态下采集一非中心视场点的光强以得到第三实测光强后，利用所述光强-琼斯矩阵模型和所述理想Γ矩阵，生成琼斯向量并按照所述标准琼斯向量的格式进行重构，根据重构后的琼斯向量计算得到第三重构光强，比较所述第三重构光强和所述第三实测光强，以得到非中心视场点光强变化；基于所述离线光强变化、所述离线琼斯向量、所述非中心视场点光强变化和所述非中心视场点对应的重构后的琼斯向量获得第二Γ矩阵修正量，利用所述第二Γ矩阵修正量修正所述理想Γ矩阵，以得到非中心视场点修正Γ矩阵；将所述第三实测光强和所述非中心视场点修正Γ矩阵代入所述光强-琼斯矩阵模型，利用生成的琼斯向量构造得到非中心视场点琼斯矩阵。
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