CN113203686A - 一种非平面透明元件的偏振特性检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种非平面透明元件的偏振特性检测装置及检测方法，装置包括：偏振特性测量设备、匹配液、容器、夹持件；匹配液置于容器内，夹持件用于夹持非平面透明元件，并将其完全浸没于容器内的匹配液中；匹配液与非平面透明元件配合使用以使测量光束经过匹配液和非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致；偏振特性测量设备用于检测非平面透明元件与匹配液配合使用的整体偏振特性，并基于整体偏振特性获得非平面透明元件的偏振特性。由于将非平面透明元件完全浸没于匹配液中，使测量光束经过匹配液和非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致，进而达到平面透明元件的效果。

Description

一种非平面透明元件的偏振特性检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及偏振检测技术领域，具体涉及一种非平面透明元件的偏振特性检测装置及检测方法。

背景技术

由残余应力、缺陷和机械夹持等引起的光学元件的应力双折射(SBR)会影响光的偏振状态，这在偏振相关和精密光学应用中是需要考虑的。特别是对于浸没式光学光刻，光学元件的双折射水平是影响期望偏振光强(IPS)的关键因素，这一参数与晶片的临界尺寸有关。目前，对于光学材料和元件的高空间分辨率双折射分布检测，一般的方法有成像方法、扫描方法和微探测器件阵列方法等。然而，这些系统一般针对表面为平面的样品，测量光束经过样品时不发生偏折；如果样品的表面面型是非平面的，如透镜，会导致折射和像差(如图1所示)，测量的精度和有效性将明显降低。现有的实验级的解决措施如用新增的透镜校正测量光路(K.Yamanaka,S.Kimura,and M.Noguchi,“Two-dimensional birefringencemeasurement system with a polarization modulator and a rotating analyzer,”Opt.Rev.,vol.16,pp.483-488,Jun.2009)，但引入了新的系统误差，并且不能消除像差。已实现商业化的方法如Hinds Instruments公司的斜入射角(OIA)扫描方法(A.Breningerand B.Wang,“A customized Exicor system for measuring residual birefringencein lithographic lenses,”Proc.SPIE Advanced Lithography,San Jose,California,USA,Apr.2013,vol.8683,p.86832D)，大大增加了光学、机械和电子控制的复杂度。

下面简要介绍这两种实现方式：

方式一：如图2所示，为该新增透镜校正测量光路方法的光路图，其中，LD为660nm波长的半导体激光器，L0为准直透镜，L1为物镜，L2为准直透镜(实际用作成像透镜)，QWP1、QWP2为四分之一波片，P1、P2为偏振片，Sample为待测透镜样品。该装置中除去物镜L1用于校正光路外，其余结构为典型的成像式应力仪构架：通过给定几个特定的QWP2的快轴和P2的光轴角度，可以解析出样品的延迟量和快轴角；通过CCD的阵列式接收单元获取对应样品XY平面的分布特性。如图所示的物镜L1补偿了样品Sample导致的光路偏折，使得从样品出射的光束与入射L1时同样为平行光束。但是，这一装置以及其他类似的校正光路的方法都存在两大问题：一是增加的校正器件(如本例中的L1)自身不可避免的存在应力双折射，增加了新的系统误差，且由于这部分器件自身的双折射分布同样不易测量(面型原因)，这一误差难以评估；二是由于像差的存在导致这种校正方式实际上并不能保证严格的平行入射平行出射，为每一个样品理论上都需要匹配合适的L1(两者像差尽可能补偿)。

方式二：斜入射角扫描方法，通过对光的调制解调可以测出待测光学元件中的双折射大小和方向，这些数据同时也表示了应力的大小和方向。这个方案的关键在于运动控制允许测量在不同入射角的双折射。例如对光学光刻镜头进行应力双折射测量，在这个镜头透镜的上表面有一个明显的曲率。对透镜顶面的入射角的选择是这样的，在所有测量中，使得顶面的折射后的测量光束与垂直方向平行。这一方法可以很好地解决面型的难题，但是也显著增加了系统和电控的复杂度：测量过程中整个系统处于不停地同步三维旋转中，针对样品的不同面型需要采用不同的旋转算法；并且该装置由于复杂的机械控制和扫描方法的固有缺陷，测量时间较长。

上述两种方法分别存在着下述缺陷：

方式一：引入新的、难以测量的系统误差，并且由于像差的影响，使得光路不能完美校正，同时需要为不同的样品匹配不同的校正透镜。

方式二：显著增加了光学、机械、电子控制的复杂度，同时存在测量时间较长的问题。

发明内容

针对非平面透明元件的应力双折射的测量过程中所存在的缺陷，本申请提供一种非平面透明元件的偏振特性检测装置及检测方法，通过将非平面透明元件完全浸没于匹配液中，使测量光束经过匹配液和非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致，也即是，通过匹配液和非平面透明元件的组合使用达到平面透明元件的效果。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种非平面透明元件的偏振特性检测装置，包括：偏振特性测量设备、非平面透明元件、匹配液、容器、夹持件；

所述匹配液置于所述容器内，所述夹持件用于夹持所述非平面透明元件，并将所述非平面透明元件完全浸没于所述容器内的匹配液中；

所述匹配液的折射率与所述非平面透明元件的折射率一致，所述匹配液与所述非平面透明元件配合使用以使测量光束经过所述匹配液和所述非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致；

所述偏振特性测量设备用于检测所述非平面透明元件与所述匹配液配合使用的整体偏振特性，并基于整体偏振特性获得非平面透明元件的偏振特性。

进一步优选的，所述偏振特性测量设备为应力仪、偏振计、椭偏仪或斯托克斯参数测量仪。

进一步优选的，所述容器相对测量光束的入射/出射开设有通光窗口。

进一步优选的，所述非平面透明元件包括非平面透镜。

本发明还提供一种非平面透明元件的偏振特性检测方法，包括步骤：

将非平面透明元件完全浸没于一预置容器的匹配液中；

待所述预置容器内的匹配液处于稳定状态时，使用偏振特性测量设备检测所述非平面透明元件与所述匹配液配合使用的整体偏振特性，并基于整体偏振特性获得非平面透明元件的偏振特性。

进一步优选的，检测整体偏振特性之前还包括测量底噪的步骤，及检测整体偏振特性之后还包括消除底噪的步骤。

进一步优选的，所述测量底噪具体包括步骤：

测量预置容器未倒入匹配液之前时通光窗口的偏振特性；

将匹配液倒入预置容器中，测量匹配液与预置容器结合的偏振特性；

将通光窗口和匹配液的偏振特性作为底噪。

进一步优选的，所述消除底噪具体包括步骤：

分别根据通光窗口的偏振特性、匹配液与预置容器结合的偏振特性、及非平面透明元件与所述匹配液配合使用的整体偏振特性，以及测量光束穿越的先后顺序建立对应的整体偏振特性矩阵；

根据矩阵的乘积关系对所述整体偏振特性矩阵中的底噪的偏振特性矩阵进行消除以获得非平面透明元件的偏振特性矩阵。

进一步优选的，偏振特性矩阵为穆勒矩阵或琼斯矩阵。

依据上述实施例的非平面透明元件的偏振特性检测装置及检测方法，由于将非平面透明元件完全浸没于匹配液中，使测量光束经过匹配液和非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致，进而，通过匹配液和非平面透明元件的组合使用达到平面透明元件的效果。

进一步的，匹配液在充分静置后几乎不产生相位延迟，因此引入的新的系统误差非常小，且可以预先测量系统底噪并消除。

进一步的，当匹配液与待测非平面透明元件的折射率完全匹配时，准直光束经过样品区域将不会发生偏折，匹配液与待测非平面透明元件一起相当于一个厚平板。

进一步的，由于匹配液与待测非平面透明元件一起相当于一个厚平板，使得待测非平面透明元件的面型不影响测量。

进一步的，测量系统中仅需加入一个装有匹配液的容器，系统复杂度改变不大，相应地兼容各种双折射测量系统(成像、扫描、微探测器阵列等)。

进一步的，匹配液可以一直处于静置状态，测量中，每次测量仅需轻拿轻放容器，并略微静置。测量时间基本由原测量系统决定，例如采用成像方法，测量速度快。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)有效校正了非平面透明元件造成的光线偏折，使测量光束经过匹配液和非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致，进而，通过匹配液和非平面透明元件的组合使用达到平面透明元件的效果。

(2)与上述方式一相比，引入的新的系统误差非常小，且可以预先测量系统底噪并消除；消除了像差；为相同折射率的面型不同的样品仅需准备同一套装置。

(3)与上述方式二相比，测量系统中仅需加入一个装有匹配液的容器，系统复杂度改变不大，相应地兼容各种双折射测量系统(成像、扫描、微探测器阵列等)；测量时间基本由原测量系统决定，例如采用成像方法，可以达到很快的测量速度。

附图说明

图1为平行光束经过非平面透明元件发生偏折示意图；

图2为新增透镜校正测量光路方法的光路图；

图3为非平面透明元件与容器配合示意图；

图4为非平面透明元件与容器另一配合示意图；

图5为非平面透明元件与容器另一配合示意图；

图6为偏振特性测量设备与容器基本配合示意图；

图7为偏振特性测量设备实际测量光路示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供一种非平面透明元件的偏振特性检测装置，包括：偏振特性测量设备100、非平面透明元件200、匹配液300、容器400和夹持件500。

非平面透明元件200、匹配液300、容器400和夹持件500的配合结构图如图3所示，其中，匹配液300置于容器400内，夹持件500用于夹持非平面透明元件200，并将非平面透明元件200完全浸没于容器400内的匹配液300中，匹配液300的折射率与非平面透明元件200的折射率一致，匹配液300与非平面透明元件200配合使用以使测量光束经过匹配液300和非平面透明元件200后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致。

进一步，容器400相对测量光束的入射/出射方向设有通光窗口，以便于偏振特性测量设备100能够测量从容器400出射方向射出的光束，该光束是测量光束由偏振特性测量设备100发出，从容器400的入射方向射入，经过匹配液300和非平面透明元件200，最后在容器400的出射方向射出的光束。

进一步需要说明的是，在实际应用中，根据偏振特性测量设备100的需要，非平面透明元件200和容器400的配合方式可以是多种形式，本申请并不对非平面透明元件200和容器400的具体配合方式进行具体限定，下面列出几种常见的配合方式。

配合方式一：如图3所示，非平面透明元件200竖向设置于容器400内，且完全浸没于容器400内的匹配液300中，相应的，容器400在测量光束贯穿的两侧面上分别开设有通光窗口。

配合方式二：如图4所示，非平面透明元件200横向设置于容器400内，且完全浸没于容器400内的匹配液300中，因容器400在测量光束的入射方向为敞开方式，故，容器400沿测量光束出射的一面上开设有通光窗口；若容器400在测量光束的入射方向为封闭式，则容器400沿测量光束入射的一面也需要开设通光窗口。

配合方式三：如图5所示，非平面透明元件200横向设置于容器400内，且完全浸没于容器400内的匹配液300中，因需要测量反射光束，故需要在容器400的出射方向设置反射镜而非开设通光窗口。

通过图3-图5可知，不论非平面透明元件200与容器400如何配合设置，只要非平面透明元件200完全浸没于匹配液300中，即可实现测量光束经过匹配液300和非平面透明元件200后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致，从而满足偏振特性测量设备100的对测量对象的要求。

进一步，本申请的非平面透明元件200可以为任意的非平面面型，例如，非平面透明元件200可以是各种规格的透镜，也即是，非平面透明元件200可以是非平面透镜。

本申请的偏振特性测量设备100可以是应力仪、偏振计、椭偏仪、或者斯托克斯参数测量仪等，其中，当偏振特性测量设备100为应力仪时，测量的是非平面透明元件的应力双折射分布，例如，测量的是非平面透明元件的延迟量和快轴角；当偏振特性测量设备100为偏振计时，测量的是测量光束经过非平面透明元件的偏振态改变；当偏振特性测量设备100为斯托克斯参数测量仪时，测量的是测量光束经过非平面透明元件的斯托克斯参数变化。

偏振特性测量设备100与容器400的基本配合如图6所示。当偏振特性测量设备100为成像式应力仪时，测量光路示意图如图7所示，成像式应力仪包括：波长为589nm的激光器1、准直镜组2、扩束镜组3、第一偏振片4、载物台5、缩束镜组6、1/4波片7、第二偏振片8、成像透镜9、CCD相机10；容器400放置于载物台5上，非平面透明元件200完全浸没于容器400的匹配液300中，容器400沿测量光束贯窗的两侧面分别开设通光窗口。

通过本实施例提供的非平面透明元件的偏振特性检测装置，由于将非平面透明元件完全浸没于匹配液中，使测量光束经过匹配液和非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致，进而，通过匹配液和非平面透明元件的组合使用达到平面透明元件的效果。

进一步的，匹配液在充分静置后几乎不产生相位延迟，因此引入的新的系统误差非常小，且可以预先测量系统底噪并消除。

进一步的，当匹配液与待测非平面透明元件的折射率完全匹配时，准直光束经过样品区域将不会发生偏折，匹配液与待测非平面透明元件一起相当于一个厚平板。

进一步的，由于匹配液与待测非平面透明元件一起相当于一个厚平板，使得待测非平面透明元件的面型不影响测量。

进一步的，测量系统中仅需加入一个装有匹配液的容器，系统复杂度改变不大，相应地兼容各种双折射测量系统(成像、扫描、微探测器阵列等)。

进一步的，匹配液可以一直处于静置状态，测量中，每次测量仅需轻拿轻放容器，并略微静置。测量时间基本由原测量系统决定，例如采用成像方法，测量速度快。

实施例二：

基于实施例一，本实施例提供一种非平面透明元件的偏振特性检测方法，包括如下步骤。

S100：将非平面透明元件完全浸没于一预置容器的匹配液中。

首先，针对非平面透明元件的特定材料和波长，准备合适的匹配液。如本例中，在测量环境温度22℃下，针对589nm波长下的熔石英透镜样品，制备甘油水溶液作为匹配液，甘油浓度为85％，该浓度下匹配液具有和非平面透明元件基本一致的折射率。

其次，针对检测装置对样品摆放方向/光束传输方向的要求，准备合适的匹配液容器及通光口。如本例中，检测装置为Ilis公司的StrainMatic M4/150.10应力仪，其测量光路为水平透射方向，故容器应保证前后具有两个通光口。本例中，容器主体为金属材料，前后开有两个圆形平板窗口，窗口为熔石英材料制成，表面粗糙度<0.7nm，平行度<6′，透射波前畸变<λ/4@632.8nm。可以认为，窗口接近理想平板。容器内装入制备好的匹配液，静置数日后待用。

最后，将非平面透明元件完全浸没于容器的匹配液中，以待检测。

S200：待预置容器内的匹配液处于稳定状态时，使用偏振特性测量设备检测所述非平面透明元件与所述匹配液完全融合之后的整体偏振特性，并基于整体偏振特性获得非平面透明元件的偏振特性。

使用偏振特性测量设备测量整体的双折射分布。如在本例中，将待测透镜浸没于匹配液中，使用应力仪测量整体(包括窗口、样品、匹配液)的双折射分布。

由于应用了Ilis公司的StrainMatic M4/150.10应力仪特有的消除底噪算法，故检测的整体偏振特性可以直接认为是非平面透明元件的偏振特性，不需要再消除底噪。

而对于其他不具有消除底噪的测量设备，或者对于高精度测量，则消除匹配液和窗口带来的测量误差(底噪)是必需的。

故针对高精度测量或者测量设备不具有消除底噪的功能，还包括测量底噪的步骤和检测整体偏振特性之后还包括消除底噪的步骤。

其中，测量底噪具体包括步骤：

步骤1：测量预置容器未倒入匹配液之前时通光窗口的偏振特性；

具体的，在容器未倒入匹配液之前，当容器仅安装测量光束入射方向的通光窗口时，测量该通光窗口的偏振特性；当容器在测量光束入射方向和出射方向均安装通光窗口时，测量双通光窗口的偏振特性。

步骤2：将匹配液倒入预置容器中，测量匹配液与预置容器结合的偏振特性；

步骤3：将通光窗口和匹配液的偏振特性作为底噪。

消除底噪具体包括步骤：

步骤1：分别根据通光窗口的偏振特性、匹配液与预置容器结合的偏振特性、及非平面透明元件与所述匹配液配合使用的整体偏振特性，以及测量光束穿越的先后顺序建立对应的整体偏振特性矩阵；

步骤2：根据矩阵的乘积关系对所述整体偏振特性矩阵中的底噪的偏振特性矩阵进行消除以获得非平面透明元件的偏振特性矩阵。

上述的偏振特性矩阵即可以是穆勒矩阵，也可以是琼斯矩阵。

下面以穆勒矩阵为例对上述的测量底噪和消除底噪进行具体描述。

测量底噪具体过程如下：

容器仅安装测量光束入射方向的通光窗口，并测量该通光窗口的双折射分布，将得到的延迟量δ和快轴角ρ表达为穆勒矩阵M₁。穆勒矩阵的一般形式如下：

对于分布测量，将测量平面划分为大量局部微区域，每个区域内部近似对应同一个穆勒矩阵，不同区域之间的穆勒矩阵一般是不同的。这里为了方便描述，统称为M₁，以下类似。

容器在测量光束的入射方向和出射方向均安装通光窗口，并测量双通光窗口的双折射分布，将得到的延迟量和快轴角表达为穆勒矩阵M₂。则出射方向的通光窗口的穆勒矩阵M₃为：

容器倒入匹配液并充分静置后：

测量整个容器的双折射分布，将得到的延迟量和快轴角表达为穆勒矩阵M₄。则匹配液携带的相位延迟对应穆勒矩阵M₅为：

由M₅得到的匹配液延迟量δ₁和快轴角ρ₁为：

一般地，匹配液充分静置后，M₂与M₄应基本一致(匹配液自身几乎不携带相位延迟)，因此M₅近似于一个单位阵。再加上样品放置的位置为容器中央，容器厚度远大于样品，可以认为M₅是前后相同的两部分匹配液的贡献累积，则两部分的穆勒矩阵M₆都为M(δ1/2,ρ1)。

消除底噪的具体过程为：

将得到的整体的双折射分布写为穆勒矩阵M₇，则样品的穆勒矩阵M₀为：

则由M₀求出的样品的延迟量δ₀和快轴角ρ₀为：

总结上述消除底噪的过程，可以归纳出针对可能的多个窗口形式的一般方法，即对容器窗口、装入匹配液的容器、浸入样品的整体分别进行双折射测量，得到相应的延迟量和快轴角分布，以建立对应的穆勒矩阵。由于这几个测量对象都可以视为平板对象，因此一般的测量平板对象应力双折射的仪器都可以胜任测量工作。穆勒算法的原则是，以光束穿越的先后顺序，穆勒矩阵依次左乘。因此，整体的穆勒矩阵一般形式为：

M_整体＝M₁M₂…M_样品…M_bM_a；

对应的消除底噪求解样品穆勒矩阵的一般方法为：

通过本实施例提供的非平面透明元件的偏振特性检测方法，由于将非平面透明元件完全浸没于匹配液中，使测量光束经过匹配液和非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致，进而，通过匹配液和非平面透明元件的组合使用达到平面透明元件的效果。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (9)

1.一种非平面透明元件的偏振特性检测装置，其特征在于，包括：偏振特性测量设备、匹配液、容器、夹持件；

所述匹配液置于所述容器内，所述夹持件用于夹持非平面透明元件，并将所述非平面透明元件完全浸没于所述容器内的匹配液中；

所述匹配液的折射率与所述非平面透明元件的折射率一致，所述匹配液与所述非平面透明元件配合使用以使测量光束经过所述匹配液和所述非平面透明元件后的射出方向与单独经过平面透明元件后的射出方向一致；

所述偏振特性测量设备用于检测所述非平面透明元件与所述匹配液配合使用的整体偏振特性，并基于整体偏振特性获得非平面透明元件的偏振特性。

2.如权利要求1所述的偏振特性检测装置，其特征在于，所述偏振特性测量设备为应力仪、偏振计、椭偏仪或斯托克斯参数测量仪。

3.如权利要求1所述的偏振特性检测装置，其特征在于，所述容器相对测量光束的入射/出射开设有通光窗口。

4.如权利要求1-3任一项所述的偏振特性检测装置，其特征在于，所述非平面透明元件为非平面透镜。

5.一种非平面透明元件的偏振特性检测方法，其特征在于，包括步骤：

将非平面透明元件完全浸没于一预置容器的匹配液中；

待所述预置容器内的匹配液处于稳定状态时，使用偏振特性测量设备检测所述非平面透明元件与所述匹配液配合使用的整体偏振特性，并基于整体偏振特性获得非平面透明元件的偏振特性。

6.如权利要求5所述的偏振特性检测方法，其特征在于，检测整体偏振特性之前还包括测量底噪的步骤，及检测整体偏振特性之后还包括消除底噪的步骤。

7.如权利要求6所述的偏振特性检测方法，其特征在于，所述测量底噪具体包括步骤：

测量预置容器未倒入匹配液之前时通光窗口的偏振特性；

将匹配液倒入预置容器中，测量匹配液与预置容器结合的偏振特性；

将通光窗口和匹配液的偏振特性作为底噪。

8.如权利要求7所述的偏振特性检测方法，其特征在于，所述消除底噪具体包括步骤：

分别根据通光窗口的偏振特性、匹配液与预置容器结合的偏振特性、及非平面透明元件与所述匹配液配合使用的整体偏振特性，以及测量光束穿越的先后顺序建立对应的整体偏振特性矩阵；

根据矩阵的乘积关系对所述整体偏振特性矩阵中的底噪的偏振特性矩阵进行消除以获得非平面透明元件的偏振特性矩阵。

9.如权利要求8所述的偏振特性检测方法，其特征在于，偏振特性矩阵为穆勒矩阵或琼斯矩阵。

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