專利名稱：偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏振檢測裝置，特別是一種偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法。
背景技術(shù)：
半導體制造技術(shù)的進步總是以曝光波長的減小、投影物鏡數(shù)值孔徑的增大以及光 刻工藝因子kl的減小為動力的。最近幾年，浸沒式光刻技術(shù)得到了快速發(fā)展。在浸沒式光 刻技術(shù)中，采用某種液體填充在物鏡最后一片鏡片和硅片上的光刻膠之間，使投影物鏡的 數(shù)值孔徑顯著提高。當投影物鏡的數(shù)值孔徑接近0. 8或者更大時，照明光的偏振態(tài)對光刻 成像的影響已不可忽視。采用合適的偏振光照明是一種在大數(shù)值孔徑情況下提高成像對比 度的有力方法。對于不同照明方式，偏振照明要求形成不同的線偏振方向，如χ方向偏振 光、y方向偏振光、徑向偏振光、切向偏振光等。當使用偏振光照明時，投影曝光裝置的照明系統(tǒng)存在諸多因素影響光的偏振態(tài)。 最主要的是光學材料的本征雙折射和應(yīng)力雙折射使光的偏振度降低。此外，光學薄膜的偏 振特性，光在界面的反射和折射也會影響光的偏振態(tài)。因此，在偏振光照明系統(tǒng)中，由于偏 振控制的需要，應(yīng)實時檢測照明光的偏振態(tài)，并反饋控制照明系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)波片，保證高偏 振度的線偏振光輸出。此外，還需要進行偏振照明檢測用于光刻機的裝校和維護。在先技 術(shù)1(日本專利特開2005-005521)提出了一種利用旋轉(zhuǎn)相位延遲器的偏振參數(shù)檢測裝置。 圖7為在先技術(shù)1提出的投影曝光裝置中照明光瞳偏振參數(shù)檢測裝置的示意圖。由圖7可 知，該偏振參數(shù)檢測裝置包括針孔掩模10、變換透鏡組20、相位延遲器件2及其驅(qū)動器6、檢 偏器3、光電探測器4和信號處理系統(tǒng)5。照明光束通過針孔掩模10上的針孔101后，經(jīng)變 換透鏡組20成為平行光束。該平行光束作為入射光束1，依次通過相位延遲器件2和檢偏 器3后由光電探測器4探測。所述的針孔掩模10置于投影曝光裝置的掩模面或附近，或者與掩模面共軛的平 面或附近(或硅片面或附近，或者與硅片面共軛的平面或附近)。利用在先技術(shù)1中的裝置進行測量時，相位延遲器件2繞裝置的系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)，利 用在先技術(shù)1和在先技術(shù)2(日本專利特開2006-179660)中的數(shù)據(jù)處理方法對光電探測 器輸出的電信號進行處理，可以得到入射光束的斯托克斯參數(shù)，進而得到偏振態(tài)分布。但該 裝置的相位延遲器件和檢偏器均工作在深紫外波段，在此波段難以按照設(shè)計指標制造理想 的器件，因此會產(chǎn)生斯托克斯參數(shù)和偏振度測量誤差。為此，在先技術(shù)2提出了不受相位延遲器件和檢偏器相關(guān)誤差的影響、高精度的 測量偏振態(tài)分布的方法。該方法是在用波片和檢偏器構(gòu)成偏振檢測裝置之前測量各器件 的偏振特性，包括波片相位延遲量的面內(nèi)分布、快軸方向和檢偏器的透光軸方向、消光比分 布。但是該方法仍不能測量安裝在偏振檢測裝置的相位延遲器件的快軸方向和檢偏器透光 軸的方向的定位誤差，無法消除構(gòu)成偏振檢測裝置的器件的角度定位誤差對偏振測量的影 響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于補充上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種偏振檢測裝置中器件誤差 的測量方法，更確切地說，是一種偏振檢測裝置中相位延遲器件和檢偏器各類誤差的測量 方法。通過測量可以獲得制造過程中和構(gòu)成偏振檢測裝置時出現(xiàn)的相位延遲器件的相位延 遲量誤差、快軸方向誤差和檢偏器的透光軸方向誤差。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法，所述的偏振檢測裝置的構(gòu)成包括沿裝 置系統(tǒng)光軸依次設(shè)置的相位延遲器件、檢偏器和光電探測器，該光電探測器的輸出接信號 處理系統(tǒng)，其特征在于所述的入射光束的斯托克斯參數(shù)是已知的；第一次測量時的初始狀態(tài)是所述的相位延遲器件的快軸角度為θ i、所述的檢偏 器的透光軸角度為CI1,并進行第一次測量；第二次測量時的初始狀態(tài)是在第一次測量初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，再沿同一方向旋轉(zhuǎn) 所述的相位延遲器件和所述的檢偏器的角度，使相位延遲器件的快軸角度為θ ，檢偏 器的透射軸角度為α ，進行第二次測量；所述的信號處理系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)計算后得到器件誤差。所述的偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法的具體測量步驟如下①設(shè)置第一次測量的初始狀態(tài)設(shè)系統(tǒng)光軸為迪卡兒坐標的ζ軸，ζ軸的正向為光 束前進方向，與ζ軸垂直的平面為xy平面，在xy平面內(nèi)先選定任一 χ軸方向，并定義χ軸正 方向與入射的線偏振光的偏振方向之間的角度為偏振方位角…χ軸正方向與相位延遲器件 快軸之間的角度為快軸角度θ，χ軸正方向與檢偏器透光軸之間的角度為透光軸角度α， 以所述的相位延遲器件和檢偏器的設(shè)計參數(shù)為基準，調(diào)整所述的相位延遲器件的快軸角度 為θ i、所述的檢偏器的透光軸角度為CI1,并設(shè)定此狀態(tài)為第一次測量的初始狀態(tài)；②第一次測量利用驅(qū)動器驅(qū)動所述的相位延遲器件旋轉(zhuǎn)，所述的光電探測器探 測光信號并輸出電信號，所述的電信號經(jīng)所述的信號處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理后，得到入射光束 的斯托克斯參數(shù)(Sel0，Sell, sel2, sel3)，禾Ij用下列公式計算出相應(yīng)的偏振度Vel和偏振方位角
爐el,偏振度Vel為Vel= is2^ + sf+si,
V ^IO偏振方位角外ι:
_arctan(5el2/.yell) 2 “‘則偏振方位角誤差卻1=外if =Ja1-Z^1=*偏振度誤差為ΔV1 = Vel-V = IIi1,其中 Δ θ工為所述的相位延遲器件的快軸角度誤差，Δ α工為檢偏器的透射軸角度誤差，V為入射 光束的偏振度4為入射光束的偏振方位角；③設(shè)置第二次測量的初始狀態(tài)先恢復(fù)所述的相位延遲器件和檢偏器至第一次 測量時的初始狀態(tài)，再沿同一方向?qū)⑺龅南辔谎舆t器件旋轉(zhuǎn)β角，將所述的檢偏器旋轉(zhuǎn)
52β角，其中β < 5° ；④第二次測量所述的驅(qū)動器驅(qū)動所述的相位延遲器件旋轉(zhuǎn)，所述的光電探測器 探測光信號并輸出電信號，所述的電信號經(jīng)所述的信號處理系統(tǒng)對所述的電信號進行數(shù) 據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理時仍以第一次測量時的快軸角度Q1和透光軸角度α工為初始角度，顯 然，第二測量時，所述的快軸角度的誤差為Δ θ2= Δ θ 1+β，所述的透射軸角度的誤差 為Δ α 2 = Δ α 1+2 β，而相位延遲量誤差Δ δ和消光系數(shù)ρ保持不變，數(shù)據(jù)處理后得到 入射光束的斯托克斯參數(shù)，計算出相應(yīng)的偏振度和偏振方位角外2，則偏振方位角誤差 J爐識=Jct2-2J込=《，偏振度誤差為AV2 = Ve2-V = m2 ；⑤獲取理論數(shù)據(jù)透光軸角度誤差與快軸角度誤差滿足Δ α -2 Δ θ = q，通過仿 真得到斯托克斯參數(shù)已知的線偏振光的偏振度誤差隨快軸角度誤差△ θ和相位延遲 量誤差Δ δ變化的理論數(shù)據(jù)，得到一個理論曲面AV = f(A θ，Δ δ)；⑥確定誤差在所述的理論曲面中，偏振度誤差A(yù)V = Hi1K對應(yīng)的坐標為(Δ θ π， Δ δ u)，偏振度誤差A(yù)V = Ki2對應(yīng)的坐標為(Δ θ2 , Δ δ2 )，其中i = 1,2,3,……，根據(jù) 兩次測量時快軸角度誤差Δ θ2 = Δ θ1+β的關(guān)系，在坐標(Δ θπ，Δ 和(Δ θ2 , Δ δ 2i)中找到滿足 Δ θ 2c = Δ θ 、且 Δ δ 2c = Δ δ lc 的坐標(Δ θ lc，Δ δ lc)，則快軸 角度誤差Δ θ = Δ θ工。、相位延遲量誤差Δ δ = Δ δ工。，再根據(jù)Δα = 2Δ θ +q求透射軸 角度誤差Δα = 2Δ θ lc+qo所述的相位延遲器件為產(chǎn)生90°相位延遲的四分之一波片、電光調(diào)制器或光彈調(diào) 制器。所述的驅(qū)動器驅(qū)動所述的相位延遲器件繞系統(tǒng)光軸勻速旋轉(zhuǎn)或間隔固定的角度 多次旋轉(zhuǎn)，或者通過驅(qū)動相位延遲器件旋轉(zhuǎn)能夠設(shè)置相位延遲器件的快軸與所述的檢偏器 透光軸之間至少四個不同的角度的位置。所述的光電探測器為二維面陣探測器或點探測器。本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)方案，與在先技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和積極效果在先技術(shù)2在構(gòu)成偏振檢測裝置前分別測量相位延遲器件和檢偏器的制造誤差， 測量過程比較繁瑣；且在先技術(shù)2無法測量構(gòu)成偏振檢測裝置后器件的定位誤差，使得測 量結(jié)果仍然受到定位誤差的影響。與在先技術(shù)2相比，本發(fā)明在無需拆卸偏振檢測裝置器 件的情況下，僅通過兩次測量入射光束的偏振方位角和偏振度，即可測量相位延遲器件和 檢偏器的制造和定位形成的誤差。


圖1是本發(fā)明的偏振檢測裝置中器件誤差的測量的方法所涉及的偏振檢測裝置 示意圖。圖2是當四分之一波片的快軸角度θ存在誤差-3° < Δ θ時，計算機仿 真偏振方位角的誤差隨Δ θ的變化曲線。圖3是當偏振棱鏡的透光軸角度α存在誤差-4° < Δ α < 4°時，計算機仿真 偏振方位角的誤差隨Δ α的變化曲線。圖4是當四分之一波片的相位延遲量δ存在誤差-3° < Δ δ時，計算機 仿真偏振方位角的誤差隨△ δ的變化曲線。
圖5a、5b分別是偏振棱鏡的消光比ρ存在誤差、當1000彡ρ彡10000時，斯托克 斯參數(shù)為S= [s0, S1, S2, S3It= [1.031，0.8，0.6]乂右上角“1~”表示矩陣轉(zhuǎn)置)的計算機 仿真線偏振光的偏振度誤差Δ V和偏振方位角誤差隨ρ的變化曲線。圖6是確定各類誤差的流程圖。圖7是現(xiàn)有的投影曝光裝置中照明光瞳偏振參數(shù)檢測裝置的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，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是本發(fā)明的偏振檢測裝置中器件誤差的測量的方法所涉及的 偏振檢測裝置示意圖。由圖可見，本發(fā)明涉及的偏振檢測裝置的構(gòu)成包括沿裝置系統(tǒng)光軸 依次設(shè)置的相位延遲器件2、檢偏器3和光電探測器4，該光電探測器4的輸出接信號處理 系統(tǒng)5，所述的相位延遲器件2在驅(qū)動器6的驅(qū)動下可繞裝置系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)，光束平行于系 統(tǒng)光軸入射至所述的相位延遲器件2和檢偏器3，并由所述的光電探測器4探測，該光電探 測器4輸出的電信號送入所述的信號處理系統(tǒng)5進行數(shù)據(jù)處理，得到入射光束1的斯托克 斯參數(shù)，進而得到偏振態(tài)。本發(fā)明的偏振檢測裝置中器件誤差的測量的方法的特點在于所述的入射光束1的斯托克斯參數(shù)是已知的；第一次測量時的初始狀態(tài)是所述的相位延遲器件2的快軸角度為θ工、所述的檢偏 器3的透光軸角度為α?。坏诙螠y量時的初始狀態(tài)是在第一次測量初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)所述的相位延 遲器件2 —定的角度，旋轉(zhuǎn)所述的檢偏器3的角度為相位延遲器件2的旋轉(zhuǎn)角度的2倍，且 旋轉(zhuǎn)方向相同；對兩次測量進行數(shù)據(jù)處理，得到器件誤差。為了便于對本發(fā)明的理解，有關(guān)本發(fā)明的基本概念和依據(jù)作如下說明所述的偏振檢測裝置中的各類器件誤差包括相位延遲器件2快軸方向與設(shè)計參 數(shù)之間的制造誤差和構(gòu)成偏振檢測裝置時快軸方向的定位誤差可歸結(jié)為快軸角度誤差；相 位延遲器件2的相位延遲量與設(shè)計參數(shù)之間的制造誤差和構(gòu)成偏振檢測裝置時快軸方向 與系統(tǒng)光軸不垂直的定位誤差所引起的相位延遲量誤差可歸結(jié)為相位延遲量誤差；檢偏器 3的透光軸方向與設(shè)計參數(shù)之間的制造誤差和構(gòu)成偏振檢測裝置時透光軸方向的定位誤差 可歸結(jié)為透光軸角度誤差；檢偏器3的消光比與設(shè)計參數(shù)之間的制造誤差為消光比誤差。所述的測量時的初始狀態(tài)為旋轉(zhuǎn)相位延遲器件2進行測量前，相位延遲器件2的 快軸和檢偏器3的透光軸所處的位置。所述的相位延遲器件2為產(chǎn)生90°相位延遲的四分之一波片、電光調(diào)制器或光彈 調(diào)制器。在本實施例中相位延遲器件2為四分之一波片。所述的驅(qū)動器6驅(qū)動所述的相位延遲器件2繞系統(tǒng)光軸勻速旋轉(zhuǎn)或間隔固定的角 度多次旋轉(zhuǎn)，或者通過驅(qū)動相位延遲器件2旋轉(zhuǎn)能夠設(shè)置相位延遲器件2的快軸與所述的 檢偏器3透光軸之間至少四個不同的角度的位置。本實施例中驅(qū)動器6可驅(qū)動相位延遲器 件2繞系統(tǒng)光軸勻速旋轉(zhuǎn)。
所述的偏振檢測裝置中的檢偏器3在理想情況下對于偏振方向與透光軸平行的 線偏振光的透過率為100%;而與該透光軸方向垂直的線偏振光的透過率為0。定義平行于 透光軸方向和垂直于透光軸方向的線偏振光的強度透過率之比為消光系數(shù)P，理想情況下 P為無窮大。在本實施例中檢偏器3為偏振棱鏡。所述的光電探測器4為二維面陣探測器或點探測器。本實施例中光電探測器4為 二維面陣CCD，以測量光束的偏振態(tài)分布。所述的信號處理系統(tǒng)5利用在先技術(shù)1和在先技術(shù)2中的數(shù)據(jù)處理方法對光電探 測器4輸出的電信號進行處理，得到入射光束1的斯托克斯參數(shù)，進而得到偏振度和偏振方 位角。定義圖1中所示的xyz坐標系，其中ζ軸為系統(tǒng)光軸，ζ軸的正方向為光束前進方 向，xy平面為與系統(tǒng)光軸垂直的平面。設(shè)入射光束的斯托克斯參數(shù)為S = [s0, S1, S2, S3] τ(右上角“τ”表示矩陣轉(zhuǎn)置)，其偏振度為
V=M^,(1)
V 5O定義χ軸正方向與線偏振光偏振方向之間的角度為偏振方位角…并利用偏振方位 角識表征線偏振光的偏振方向，且有^-afctan^/^i)利用偏振度V和偏振方位角識可以表征線偏振光的偏振特性。以這兩個指標作為 評價偏振態(tài)測量結(jié)果的依據(jù)，討論入射光束偏振態(tài)的測量誤差。定義χ軸正方向與四分之一波片快軸之間的角度為快軸角度Θ，其范圍 為-90° < θ <90° ；定義χ軸正方向與偏振棱鏡透光軸之間的角度為透光軸角度α，其 范圍為-90°彡α彡90°。所述的繞偏振檢測裝置的系統(tǒng)光軸旋轉(zhuǎn)的四分之一波片的穆勒矩陣為
Μ(6>)=
1， 0, 0， 0 0, Cos2 2 ^+sin2 2 0 cos δ,sin2 ^ cos 2 0 - sin 2 ^ cos 2 ^ cos -sin20sim5
0， sin26>cos20-sin20cos2^cos<5,sin2 20+ cos226 cos
0,sin20sin<5,-cos20sinJ，其中，δ為四分之一波片的相位延遲量，理想情況下δ = Ji/2t透光軸角度為α的偏振棱鏡的穆勒矩陣為
cos2 沒sin 孑 cos <5
，(3)
8
權(quán)利要求
一種偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法，所述的偏振檢測裝置的構(gòu)成包括沿裝置系統(tǒng)光軸依次設(shè)置的相位延遲器件、檢偏器和光電探測器，該光電探測器的輸出接信號處理系統(tǒng)，其特征在于所述的入射光束的斯托克斯參數(shù)是已知的；第一次測量時的初始狀態(tài)為所述的相位延遲器件的快軸角度為θ1、所述的檢偏器的透光軸角度為α1，進行第一次測量；第二次測量時的初始狀態(tài)是在第一次測量初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，再沿同一方向旋轉(zhuǎn)所述的相位延遲器件和所述的檢偏器的角度，使相位延遲器件的快軸角度為θ1+β，所述的透射軸角度為α1+2β，進行第二次測量；所述的信號處理系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)計算后得到器件誤差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法，其特征在于具體測量 步驟如下①設(shè)置第一次測量的初始狀態(tài)設(shè)系統(tǒng)光軸為迪卡兒坐標的ζ軸，ζ軸的正向為光束前 進方向，與ζ軸垂直的平面為xy平面，在xy平面內(nèi)先選定任一 χ軸方向，并定義χ軸正方 向與入射的線偏振光的偏振方向之間的角度為偏振方位角…χ軸正方向與相位延遲器件快 軸之間的角度為快軸角度θ，χ軸正方向與檢偏器透光軸之間的角度為透光軸角度α，以 所述的相位延遲器件和檢偏器的設(shè)計參數(shù)為基準，調(diào)整所述的相位延遲器件的快軸角度為 θ i、所述的檢偏器的透光軸角度為α工，并設(shè)定此狀態(tài)為第一次測量的初始狀態(tài)；②第一次測量利用驅(qū)動器驅(qū)動所述的相位延遲器件旋轉(zhuǎn)，所述的光電探測器探測光 信號并輸出電信號，所述的電信號經(jīng)所述的信號處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理后，得到入射光束的斯 托克斯參數(shù)(sel0，sell, sel2, sel3)，禾Ij用下列公式計算出相應(yīng)的偏振度Vel和偏振方位角&1’偏振度Vel為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法，其特征在于所述的相 位延遲器件為產(chǎn)生90°相位延遲的四分之一波片、電光調(diào)制器或光彈調(diào)制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法，其特征在于所述的驅(qū) 動器驅(qū)動所述的相位延遲器件繞系統(tǒng)光軸勻速旋轉(zhuǎn)或間隔固定的角度多次旋轉(zhuǎn)，或者通過 驅(qū)動相位延遲器件旋轉(zhuǎn)能夠設(shè)置相位延遲器件的快軸與所述的檢偏器透光軸之間至少四 個不同的角度的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法，其特征在于所述的光 電探測器為二維面陣探測器或點探測器。
全文摘要
一種偏振檢測裝置中器件誤差的測量方法，所述的偏振檢測裝置包括沿裝置系統(tǒng)光軸依次設(shè)置的相位延遲器件、檢偏器和光電探測器，該光電探測器的輸出接信號處理系統(tǒng)，其特點在于，斯托克斯參數(shù)已知的線偏振光入射至所述的偏振檢測裝置，設(shè)定第一次測量的初始狀態(tài)并進行測量；設(shè)定第二次測量的初始狀態(tài)并進行測量，第二次測量的初始狀態(tài)是在第一次測量的初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，分別旋轉(zhuǎn)相位延遲器件和檢偏器一定的角度，滿足檢偏器的旋轉(zhuǎn)角度為相位延遲器件旋轉(zhuǎn)角度的2倍，且旋轉(zhuǎn)方向相同，對測量進行數(shù)據(jù)處理獲得器件的誤差。本發(fā)明在無需拆卸偏振檢測裝置器件的情況下，可快速測量相位延遲器件和檢偏器的各類誤差。
文檔編號G01J4/04GK101936774SQ20101026832
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者唐鋒, 李中梁, 王向朝 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所