專利名稱：光束整形元件光學(xué)性能的檢測裝置和檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光刻領(lǐng)域，特別是一種用于紫外光刻機照明系統(tǒng)中的光束整形元件光學(xué)性能的檢測裝置和檢測方法。
背景技術(shù)：
在先進光刻機的照明系統(tǒng)中，通常采用光束整形元件實現(xiàn)離軸照明，增強光刻系統(tǒng)分辨率，增大焦深，并改善光刻對比度，從而提高光刻質(zhì)量。光刻系統(tǒng)的分辨率是指光刻機能夠在硅片面上加工的最小線寬，它同光源的波長成正比，現(xiàn)有光刻機主要采用紫外或深紫外激光器(紫外波段汞燈i線波長為365nm ；深紫外波段氟化氬ArF激光器波長為193nm、氟化氪KrF激光器波長為248nm。全文中為了簡化用“紫外”代替“紫外或深紫外”)作為光源，因為紫外光源波長短，有利于減小特征線寬尺寸，提高器件(如中央處理器CPU、內(nèi)存等)的集成度。依據(jù)上述照明光源的波長選擇， 照明系統(tǒng)中的光束整形元件也工作在紫外波段。為了實現(xiàn)精確的離軸照明模式和較高的能量利用率，光束整形元件通常采用衍射光學(xué)的方法實現(xiàn)。將光束整形元件安裝到照明系統(tǒng)之前，必須對其光學(xué)性能進行檢測。設(shè)計制造的光束整形元件除了實現(xiàn)離軸照明的功能外，還需要具有盡可能高的能量利用率， 減小照明模式轉(zhuǎn)換時的能量損失。因此，對于光束整形元件的光學(xué)性能檢測主要包括遠場光強分布和能量利用率的測量。傳統(tǒng)檢測方案中，需要使用與光束整形元件相同工作波長的紫外激光器、紫外CCD 圖像傳感器以及紫外能量傳感器構(gòu)建測試系統(tǒng)[參見John E Childers, Tom Baker, Tim Emig, James Carriere, Marc D. Himel，Proc. of SPIE Vol. 7430，74300S，2009]。測量時需將光束整形元件的出射光束在遠場處(遠場成像透鏡的焦平面)成像于紫外CCD圖像傳感器測量遠場光強分布，或者會聚到紫外能量傳感器中進行能量利用率的測量。上述在先技術(shù)的主要缺點是，測試系統(tǒng)需在紫外工作波長下工作，光路調(diào)整不方便；測試系統(tǒng)所需的紫外激光器、紫外CCD圖像傳感器以及紫外能量傳感器的價格比較昂貴；紫外激光器工作中使用的含氟混合氣體具有較強的腐蝕性和毒性；紫外激光由于不能直接被人眼觀察，給系統(tǒng)光路的對準和調(diào)試帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種用于紫外光刻機的光束整形元件的檢測裝置和檢測方法，該裝置和方法適用于任何紫外波段的光束整形元件的光學(xué)性能檢測，而且具有成本低，使用簡便，測量快速的特點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種用于紫外光刻機的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置，特點在于其構(gòu)成包括可見激光器，在該可見激光器輸出激光的方向同光軸地依次設(shè)有擴束鏡組、分束鏡、第一遠場成像透鏡、可調(diào)光闌、第二遠場成像透鏡和第二能量傳感器；
所述的分束鏡與所述的光軸成45°設(shè)置，在該分束鏡的反射光方向設(shè)有第一能量傳感器；待測光束整形元件位于所述的第一遠場成像透鏡的物方焦面，所述的第一遠場成像透鏡、第二遠場成像透鏡的焦距均為f，第一遠場成像透鏡和第二遠場成像透鏡)之間的距離為2f，所述的第二能量傳感器位于所述的第二遠場成像透鏡的像方焦面；在所述的第一遠場成像透鏡和第二遠場成像透鏡的共焦面設(shè)置所述的可調(diào)光闌， 或設(shè)置CXD圖像傳感器，該CXD圖像傳感器的感光面的中心具有中心遮攔。所述的第一遠場成像透鏡的物方焦面設(shè)有供待測光束整形元件設(shè)置的調(diào)整架。在所述的第一遠場成像透鏡和第二遠場成像透鏡的共焦面位置設(shè)有供具有中心遮攔的CCD圖像傳感器和可調(diào)光闌互換的互換機構(gòu)，當該互換機構(gòu)換位時，所述的可調(diào)光闌和所述的CCD圖像傳感器換位并且其中心均置于光路中的光軸上。所述的分束鏡為半透半反鏡。一種利用上述光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置進行檢測的方法，包括下列步驟1)遠場光強分布的檢測①將所述的CXD圖像傳感器置于光路中；②開啟可見激光器，調(diào)整擴束準直鏡組，將可見激光器發(fā)出的可見激光束擴束與待測的光束整形元件的通光口徑相同，再讓被方孔光闌截取的光束通過所述的分束鏡，分為反射光束和透射光束，該透射光束照射在待測光束整形元件上，由所述的CXD圖像傳感器探測，獲得遠場光強分布尺寸D’ ；D' =2入'f/d其中f為第一遠場成像透鏡的焦距，d為光束整形元件臺階的橫向尺寸，λ，是可見激光波長；③對應(yīng)于紫外波長λ的遠場光強分布尺寸D = D' λ/λ ‘；2)能量利用率的檢測①用可見波長為λ ‘的激光測量零級衍射效率η/ 將可調(diào)光闌的通光口徑調(diào)小，僅讓中心零級光束通過，用第二能量傳感器測量得到零級光強Ic/，用第一能量傳感器測量得到入射光強Iin，利用下列公式計算待測光束整形元件的臺階數(shù)N;
,,,,, r 1 sin(;zt./^) l2JJ0=J0^in =[-■ ■ / ,'f
N I bN)其中C/b = λ/λ ‘，λ是紫外工作波長；②測量波長λ ‘下的+1級衍射效率η/ ；將所述的可調(diào)光闌的通光口徑調(diào)大至等于遠場光強分布的尺寸D’，分別用第一能量傳感器和第二能量傳感器同時記錄下輸入能量Iin和輸出能量總光強Itl+/，利用下列公式計算+1級衍射效率η/ = (I0+/ -I0' )/Iin;③再利用下列公式計算待測光束整形元件在紫外波長λ下的能量利用率Il1
={—■——^-—f—}2 ο與在先技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)成果1、本發(fā)明利用可見光對紫外光刻照明系統(tǒng)中光束整形元件的光學(xué)性能進行測量， 包括遠場光強分布和能量利用率，裝置中用到的激光器、CCD圖像傳感器和能量傳感器均工作在可見光波段，價格遠低于紫外波段的上述設(shè)備，且在可見光波段光路調(diào)試方便且安全。2、本發(fā)明可以適用于任何紫外波段光束整形器的光學(xué)性能檢測，而不局限在某一個波長下。而且具有成本低，使用簡便，測量快速的特點。


圖1是仿真結(jié)果同一光束整形元件在兩個不同波長下遠場光強分布的示意圖。圖2是本發(fā)明光束整形元件的光學(xué)性能檢測裝置示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1中以紫外光刻機中光束整形元件產(chǎn)生的環(huán)形遠場光強分布為例。根據(jù)仿真的結(jié)果，在照射光源波長改變后，遠場光強分布發(fā)生變化。101為設(shè)計的光束整形元件在λ =MSnm時的遠場光強分布，該分布為環(huán)形照明，外徑為D = 20mm，光束整形元件的通光尺寸為IOmmX 10mm。通過計算機仿真發(fā)現(xiàn)當入射光波長變?yōu)棣?‘ =Μλ (Μ> 1)后，遠場光強分布(10 的尺寸擴大至原先的M倍，但形狀幾乎不變，中心出現(xiàn)較強的光點ο根據(jù)弗朗和費衍射定理，如果忽略折射率在不同波長下的變化(通常這種變化較小)，遠場光強分布的尺寸D同波長λ成正比[郁道銀，談恒英，工程光學(xué)(第二版)，機械工業(yè)出版社，2005年，第345頁]:D = 2 λ f/d其中f為遠場成像透鏡的焦距，d為光束整形元件中臺階的橫向尺寸。從⑴式中可以看出當波長變化時，遠場分布尺寸D出現(xiàn)同比例變化。仿真結(jié)果和理論分析表明，通過改變激光波長對光束整形元件的光學(xué)性能測量是可行的。這是本發(fā)明的基本原理。按照本發(fā)明方法測量時，需要擋住中心亮斑(該亮斑通常能量較強，會引起CCD飽和和損壞)，然后用CCD圖像傳感器測量出遠場光強分布。最后， 按照λ' /λ的比例縮小后，即可以得到紫外工作波長下的遠場光強分布，其中λ'是測量用的可見光的波長，λ是紫外工作波長。測量所述的能量利用率時所用到的計算公式推導(dǎo)過程如下光束整形元件通常是衍射光學(xué)元件，是由多組臺階狀浮雕構(gòu)成的位相光柵，各級衍射譜的強度分布為[郁道銀，談恒英，工程光學(xué)(第二版)，機械工業(yè)出版社，2005年，第 366 頁]:
T t Λ η{τηπΙ N) sin π τη - D(n -V) I λ) 、2Im = (Λ —-- ■ ■ r /η/η;ΛΠ}
τηπ- D(n -1) / λ) / TV]
其中人為照明光的振幅，m是衍射級次，、是！!!級衍射級次的光強，N代表臺階數(shù)，h為最大的臺階高度，λ是入射激光的波長，η是材料在波長λ下的折射率。該公式表明當入射激光的波長發(fā)生變化，各衍射級次的光強會相應(yīng)地變化。通常光束整形元件按照2 π位相差的設(shè)計方式，即h= λ/(η-1), λ是光束整形元件的工作波長，但是實際加工過程中由于存在加工誤差使得臺階高度h存在一定的微小偏差A(yù)h。對于光束整形元件來說，被利用的能量主要集中于+1級衍射，即m = 1。依據(jù)上述公式，在工作波長λ下，能量利用率表示式為
T rsin(;r/jV) ηπδ π2V1=IJ Im =[———-■ —--77—]2
π sin(^ /jV)在檢測波長λ ‘下，能量利用率表達式為
,_/," _ (& η(π/N) sin^l-c/b + c) ^2V1 -J1 Ilm -{------,, , .,.,J其中，b= Ah(n-1)/X，c = Ah(n' _1)/λ ‘。η'為波長 λ ‘時材料的折射率，假定η' n，將上述兩式相除，并且考慮到加工誤差A(yù)h遠小于波長λ和λ ‘，b和c 是趨近于零的小量，化簡后可用得到相對能量利用率7,7^ ={—■——^-—f—}2
N ？,m[n(\-clb)lN]其中，c/b = λ/λ ‘，N是光束整形元件的臺階數(shù)。臺階數(shù)是光束整形元件中位相0 的均分個數(shù)。所述的臺階數(shù)可以通過零級衍射效率得到，在測量波長λ ‘下，零級衍射效率為
,j ., j r 1 l2Vo=I0yIIm = [―. . / .'f。
N sin(^t' / bN)圖2是本發(fā)明光束整形元件的光學(xué)性能檢測裝置示意圖。由圖可見，本發(fā)明用于紫外光刻機的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置的構(gòu)成包括可見激光器201，在該可見激光器201輸出激光的方向同光軸地依次設(shè)有擴束鏡組202、分束鏡203、第一遠場成像透鏡206、可調(diào)光闌208、第二遠場成像透鏡209和第二能量傳感器210 ；所述的分束鏡203與所述的光軸成45°設(shè)置，在該分束鏡203的反射光方向設(shè)有第一能量傳感器204 ；待測光束整形元件205位于所述的第一遠場成像透鏡206的物方焦面，所述的第一遠場成像透鏡206、第二遠場成像透鏡209的焦距均為f，第一遠場成像透鏡206和第二遠場成像透鏡209之間的距離為2f，所述的第二能量傳感器210位于所述的第二遠場成像透鏡209的像方焦面；在所述的第一遠場成像透鏡206和第二遠場成像透鏡209的共焦面設(shè)置所述的可調(diào)光闌208，或設(shè)置CXD圖像傳感器207-2，該CXD圖像傳感器207-2的感光面的中心具有中心遮攔207-1。所述的第一遠場成像透鏡206的物方焦面設(shè)有供待測光束整形元件205設(shè)置的調(diào) MM
IE^ ^hC ο在所述的第一遠場成像透鏡206和第二遠場成像透鏡209的共焦面位置設(shè)有供具有中心遮攔207-1的CXD圖像傳感器207-2和可調(diào)光闌208互換的互換機構(gòu)，當該互換機構(gòu)換位時，所述的可調(diào)光闌208和所述的CCD圖像傳感器207-2換位，并且其中心均置于光路中的光軸上。下面給出一個具體實施例，詳細介紹整個檢測裝置的器件構(gòu)成、光路結(jié)構(gòu)以及測
量方法。首先，選用可見波長激光器201，例如波長632. Snm的氦氖激光器。其輸出光束的直徑約為0. 5mm，需要在其后放入擴束準直鏡組202，將激光擴束到至少等于光束整形元件 205的通光口徑14. 14mm(即對角線尺寸=10 mmx V^")，再用方孔光闌截取IOmmXlOmm 的光束照射在光束整形器205上。分束鏡203采用半透半反鏡，將一半的激光能量反射到輸入端第一能量傳感器上204，輸入端第一能量傳感器204的口徑需要大于14. 14mm，另一半能量的激光垂直照射在光束整形元件205上。上述光路是共用光路，后續(xù)光路分為兩種情況A光路用于測量遠場光強分布，B光路用于測量能量利用率，下面分別陳述。在A光路中采用2_f的光路布置測量光束整形元件的遠場光強分布。光束整形元件205位于第一遠場成像透鏡206的前焦面，CXD圖像傳感器207-2位于第一遠場成像透鏡206的后焦面，構(gòu)成2-f的光路布置。為了確保遠場像能夠完全被CXD圖像傳感器207-2 接收，第一遠場成像透鏡206的焦距f應(yīng)根據(jù)CXD圖像傳感器207-2中CXD的尺寸選取，依據(jù)是f < 1/2NA其中1為CXD的尺寸，NA是光束整形元件205的輸出數(shù)值孔徑。另外，根據(jù)衍射定律，NA與光束整形元件205的臺階橫向尺寸d和激光波長λ有關(guān)，計算公式為NA = λ /d綜合上述兩個公式，第一遠場成像透鏡206的焦距f應(yīng)滿足f < 1 · d/2 λ在本實例中，C⑶尺寸1選取12mm，激光波長為632. 8nm，臺階的橫向尺寸d為 5 μ m，因此f可以選用40_。在圖2中，CXD圖像傳感器207-2的前端靠近CXD的位置應(yīng)放置中心遮攔207_1以阻擋中心光斑。中心遮攔207-1與CXD圖像傳感器207-2中成像面積之比值應(yīng)小于0. 05， 在本實施例中，選用0. 5mm直徑的圓形中心遮攔。光束整形元件的測量過程如下①利用所述的置換機構(gòu)將所述的中心遮攔、CXD圖像傳感器置于光路中；②開啟可見波長激光器，調(diào)整擴束準直鏡組，將可見波長激光束擴束到待測的光束整形元件的通光口徑14. 14mm(即對角線尺寸=IOmmx λ/ )，再用方孔光闌截取 IOmmX IOmm方形的光束，通過所述的分束鏡203分為反射光束和透射光束，該透射光束照射在待測的光束整形元件205上，由所述的CXD圖像傳感器207-2探測；③將測量得到的遠場光強分布按照尺寸比例λ ‘ /λ縮小，本實施例該比例為 2. 55倍，縮小后的光強分布即為紫外工作波長下的光強分布。圖2中B光路用于測量光束整形元件205的能量利用率。在B光路中采用4_f的光路布置，即用第一遠場成像透鏡206和第二遠場成像透鏡209放于光路中，將光束整形元件205放于第一遠場成像透鏡206的前焦面，可變光闌208放在第一遠場成像透鏡206的后焦面和第二遠場成像透鏡209的前焦面，第二能量傳感器210放于第二遠場成像透鏡209
8的后焦面。兩塊遠場成像透鏡的焦距f相同，從光束整形元件205到第二能量傳感器210 的距離為4f，因此稱為4-f光路?？勺児怅@208的位置同A光路中CXD圖像傳感器207-2 的位置相同，第一遠場成像透鏡206的焦距f也與A光路中的相同。能量利用率的測量過程如下①利用所述的置換機構(gòu)將所述的可調(diào)光闌208置于光路中；②開啟可見波長激光器201，調(diào)整擴束準直鏡組202，將可見波長激光束擴束到待測的光束整形元件的通光口徑14. 14mm(即對角線尺寸=10 mmx λ/ )，再用方孔光闌截取IOmmX IOmm的光束，通過所述的分束鏡203分為反射光束和透射光束，該透射光束照射在待測光束整形元件205上；①測量中心零級衍射光的衍射效率將可變光闌208開至零級衍射光的尺寸(本實施例為0. 3mm)，僅讓中心光束通過。 經(jīng)擴束鏡組202出射的光束經(jīng)所述的分束鏡203反射的激光束由所述的第一能量傳感器 204測量入射光束的能量Iin。透過所述的分束鏡203的透射光束，照射在光束整形元件205 上，再依次經(jīng)過第一遠場成像透鏡206，可變光闌208、第二遠場成像透鏡209后由第二能量傳感器210測量中心零級衍射光的能量中心零級衍射光的衍射效率為η/ = I0/IinO④運用下面的公式計算光束整形元件的臺階數(shù)N
權(quán)利要求
1.一種用于紫外光刻機的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置，特征在于其構(gòu)成包括可見激光器001)，在該可見激光器(201)輸出激光的方向同光軸地依次設(shè)有擴束鏡組 002)、分束鏡003)、第一遠場成像透鏡006)、可調(diào)光闌008)、第二遠場成像透鏡(209) 和第二能量傳感器OlO)；所述的分束鏡O03)與所述的光軸成45°設(shè)置，在該分束鏡O03)的反射光方向設(shè)有第一能量傳感器O04)；待測光束整形元件(20 位于所述的第一遠場成像透鏡O06)的物方焦面，所述的第一遠場成像透鏡006)、第二遠場成像透鏡Q09)的焦距均為f，第一遠場成像透鏡(206) 和第二遠場成像透鏡(209)之間的距離為2f，所述的第二能量傳感器(210)位于所述的第二遠場成像透鏡O09)的像方焦面；在所述的第一遠場成像透鏡(206)和第二遠場成像透鏡(209)的共焦面設(shè)置所述的可調(diào)光闌008)，或設(shè)置CXD圖像傳感器Q07-2)，該CXD圖像傳感器Q07-2)的感光面的中心具有中心遮攔(207-1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置，其特征在于所述的第一遠場成像透鏡O06)的物方焦面設(shè)有供待測光束整形元件(20 設(shè)置的調(diào)整架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置，其特征是在所述的第一遠場成像透鏡(206)和第二遠場成像透鏡O09)的共焦面位置設(shè)有供具有中心遮攔 (207-1)的C⑶圖像傳感器(207- 和可調(diào)光闌(208)互換的互換機構(gòu)，當該互換機構(gòu)換位時，所述的可調(diào)光闌(208)和所述的CXD圖像傳感器(207- 換位，并且其中心均置于光路中的光軸上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置，其特征在于所述的分束鏡(203)為半透半反鏡。
5.一種利用權(quán)利要求1所述的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置進行檢測的方法， 其特征在于包括下列步驟1)遠場光強分布的檢測①將所述的CXD圖像傳感器(207- 置于光路中；②開啟可見激光器001)，調(diào)整擴束準直鏡組002)，將可見激光器O01)發(fā)出的可見激光束擴束與待測的光束整形元件(205)的通光口徑相同，再讓被方孔光闌截取的光束通過所述的分束鏡(20 ，分為反射光束和透射光束，該透射光束照射在待測光束整形元件 (205)上，由所述的CXD圖像傳感器(207- 探測，獲得遠場光強分布尺寸D’ ；D' = 2入‘f/d其中f為第一遠場成像透鏡(206)的焦距，d為光束整形元件(20 臺階的橫向尺寸， λ ’是可見激光波長；③對應(yīng)于紫外波長λ的遠場光強分布尺寸D= D' λ/λ ‘；2)能量利用率的檢測①用可見波長為λ ‘的激光測量零級衍射效率η/ 將可調(diào)光闌Ο08)的通光口徑調(diào)小，僅讓中心零級光束通過，用第二能量傳感器(210) 測量得到零級光強Ic/，用第一能量傳感器(204)測量得到入射光強Iin，利用下列公式計算待測光束整形元件Ο05)的臺階數(shù)N;
全文摘要
一種用于紫外光刻機的光束整形元件的光學(xué)性能的檢測裝置和檢測方法，裝置的構(gòu)成包括可見激光器，在該可見激光器輸出激光的方向同光軸地依次設(shè)有擴束鏡組、分束鏡、第一遠場成像透鏡、可調(diào)光闌或CCD圖像傳感器、第二遠場成像透鏡和第二能量傳感器。本發(fā)明適用于任何紫外波段的光束整形元件的光學(xué)性能檢測，而且具有成本低，使用簡便，測量快速的特點。
文檔編號G02B27/10GK102243137SQ20111016723
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者曾愛軍, 朱菁, 楊寶喜, 胡中華, 陳明, 黃惠杰 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所