WO2012174683A1 - 光束整形元件光学性能的检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置。该装置包括：可见激光器（201）；在可见激光器输出激光的方向同光轴地依次排列的扩束镜组（202）、分束镜（203）、第一远场成像透镜（206）、可调光阑（208）或CCD图像传感器（207-2）、第二远场成像透镜（209）、和第二能量传感器（210）。还提供一种用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测方法。该装置适用于任何紫外波段的光束整形元件的光学性能检测。该装置成本低、使用简便、和测量快速。

Description

光束整形元件光学性能的检测装置和检测方法 技术领域

本发明属于微光刻领域， 特别是一种用于紫外光刻机照明系统中的 光束整形元件光学性能的检测装置和检测方法。 背景技术

在先进光刻机的照明系统中，通常采用光束整形元件实现离轴照明， 增强光刻系统分辨率， 增大焦深， 并改善光刻对比度， 从而提高光刻质 光刻系统的分辨率是指光刻机能够在硅片面上加工的最小线宽， 它 同光源的波长成正比， 现有光刻机主要采用紫外或深紫外激光器（紫外 波段： 汞灯 i线波长为 365nm_; 深紫外波段： 氟化氩 ArF激光器波长为 193 nm、 氟化氪 KrF激光器波长为 248 nm。 全文中为了简化用 "紫外" 代替"紫外或深紫外"）作为光源， 因为紫外光源波长短， 有利于减小特 征线宽尺寸， 提高器件（如中央处理器 CPU、 内存等） 的集成度。 依据 上述照明光源的波长选择， 照明系统中的光束整形元件也工作在紫外波 段。

为了实现精确的离轴照明模式和较高的能量利用率， 光束整形元件 通常采用衍射光学的方法实现。 将光束整形元件安装到照明系统之前， 必须对其光学性能进行检测。 设计制造的光束整形元件除了实现离轴照 明的功能外， 还需要具有尽可能高的能量利用率， 减小照明模式转换时 的能量损失。 因此， 对于光束整形元件的光学性能检测主要包括远场光 强分布和能量利用率的测量。

传统检测方案中， 需要使用与光束整形元件相同工作波长的紫外激 光器、 紫外 CCD 图像传感器以及紫外能量传感器构建测试系统 [参见 John E Childers, Tom Baker, Tim Emig, James Carriere, Marc D. Himel, Proc. of SPIE Vol. 7430, 74300S, 2009]。 测量时需将光束整形元件的出射 光束在远场处 （远场成像透镜的焦平面） 成像于紫外 CCD 图像传感器 测量远场光强分布， 或者会聚到紫外能量传感器中进行能量利用率的测 量。 上述在先技术的主要缺点是， 测试系统需在紫外工作波长下工作， 光路调整不方便； 测试系统所需的紫外激光器、 紫外 CCD 图像传感器 以及紫外能量传感器的价格比较昂贵； 紫外激光器工作中使用的含氟混 合气体具有较强的腐蚀性和毒性； 紫外激光由于不能直接被人眼观察， 给系统光路的对准和调试带来不便。 发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足， 提供一种用于紫外光 刻机的光束整形元件的检测装置和检测方法， 该装置和方法适用于任何 紫外波段的光束整形元件的光学性能检测，而且具有成本低，使用简便， 测量快速的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置， 特点 在于其构成包括可见激光器， 在该可见激光器输出激光的方向同光轴地 依次设有扩束镜组、 分束镜、 第一远场成像透镜、 可调光阑、 第二远场 成像透镜和第二能量传感器；

所述的分束镜与所述的光轴成 45°设置， 在该分束镜的反射光方向 设有第一能量传感器；

待测光束整形元件位于所述的第一远场成像透镜的物方焦面， 所述 的第一远场成像透镜、 第二远场成像透镜的焦距均为 f， 第一远场成像 透镜和第二远场成像透镜）之间的距离为 2f， 所述的第二能量传感器位 于所述的第二远场成像透镜的像方焦面；

在所述的第一远场成像透镜和第二远场成像透镜的共焦面设置所述 的可调光阑， 或设置 CCD图像传感器， 该 CCD图像传感器的感光面的 中心具有中心遮拦。

所述的第一远场成像透镜的物方焦面设有供待测光束整形元件设 置的调整架。

在所述的第一远场成像透镜和第二远场成像透镜的共焦面位置设有 供具有中心遮拦的 CCD 图像传感器和可调光阑互换的互换机构， 当该 互换机构换位时， 所述的可调光阑和所述的 CCD 图像传感器换位并且 其中心均置于光路中的光轴上。

所述的分束镜为半透半反镜。

一种利用上述光束整形元件的光学性能的检测装置进行检测的方 法， 包括下列步骤：

1 )远场光强分布的检测：

①将所述的 CCD图像传感器置于光路中；

②开启可见激光器， 调整扩束准直镜组， 将可见激光器发出的可见 激光束扩束与待测的光束整形元件的通光口径相同， 再让被方孔光阑截 取的光束通过所述的分束镜， 分为反射光束和透射光束， 该透射光束照 射在待测光束整形元件上， 由所述的 CCD 图像传感器探测， 获得远场 光强分布尺寸 D ,；

D' = 2Vf /d

其中： /为第一远场成像透镜的焦距， ^为光束整形元件台阶的横向 尺寸， 是可见激光波长；

③对应于紫外波长 A的远场光强分布尺寸 D=D'A/ i'； ①用可见波长为 A'的激光测量零级衍射效率 ：

将可调光阑的通光口径调小， 仅让中心零级光束通过， 用第二能量 传感器测量得到零级光强 I 用第一能量传感器测量得到入射光强 Iin， 利用下列公式计算待测光束整形元件的台阶数

„ ,— , ' / , _ _Γ ¹ sinjnc /b) _l2

Ν sin(^c / oiv)

其中： cib= 、 ;1是紫外工作波长；

②测量波长 i'下的 +1级衍射效率 ^ '；

将所述的可调光阑的通光口径调大至等于远场光强分布的尺寸

D，， 分别用第一能量传感器和第二能量传感器同时记录下输入能量 „ 和输出能量总光强 /₀₊/， 利用下列公式计算 +1级衍射效率：

③再利用下列公式计算待测光束整形元件在紫外波长 A下的能 量利用率

_{Ί =} 1 sin^-(l- c/6) ₂

1 ¹ ~ N sin [； r(l - c/6)/N] 。

与在先技术相比， 本发明具有下列技术成果：

1、本发明利用可见光对紫外光刻照明系统中光束整形元件的光学性 能进行测量， 包括远场光强分布和能量利用率， 装置中用到的激光器、 CCD图像传感器和能量传感器均工作在可见光波段，价格远低于紫外波 段的上述设备， 且在可见光波段光路调试方便且安全。

2、本发明可以适用于任何紫外波段光束整形器的光学性能检测，而 不局限在某一个波长下。而且具有成本低， 使用简便，测量快速的特点。 附图说明

图 1是仿真结果： 同一光束整形元件在两个不同波长下远场光强分 布的示意图。

图 2是本发明光束整形元件的光学性能检测装置示意图。 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中以紫外光刻机中光束整形元件产生的环形远 场光强分布为例。 根据仿真的结果， 在照射光源波长改变后， 远场光强 分布发生变化。 101为设计的光束整形元件在 A=248 nm时的远场光强分 布， 该分布为环形照明， 外径为 20 mm， 光束整形元件的通光尺寸为 10 mmxlO mm。通过计算机仿真发现当入射光波长变为 AHVU (M>1)后， 远场光强分布 (102)的尺寸扩大至原先的 M倍， 但形状几乎不变， 中心 出现较强的光点。

根据弗朗和费衍射定理， 如果忽略折射率在不同波长下的变化（通 常这种变化较小），远场光强分布的尺寸 D同波长 1成正比 [郁道银，谈 恒英， 工程光学（第二版）， 机械工业出版社， 2005年， 第 345页]:

D = 2 f /d

其中： /为远场成像透镜的焦距， ^为光束整形元件中台阶的横向尺 寸。 从（1 )式中可以看出当波长变化时， 远场分布尺寸 出现同比例 变化。

仿真结果和理论分析表明， 通过改变激光波长对光束整形元件的光 学性能测量是可行的。这是本发明的基本原理。按照本发明方法测量时， 需要挡住中心亮斑（该亮斑通常能量较强， 会引起 CCD饱和和损坏）， 然后用 CCD图像传感器测量出远场光强分布。最后，按照 AW的比例缩 小后， 即可以得到紫外工作波长下的远场光强分布， 其中 I'是测量用的 可见光的波长， A是紫外工作波长。 测量所述的能量利用率时所用到的计算公式推导过程如下： 光束整形元件通常是衍射光学元件， 是由多组台阶状浮雕构成的位 相光栅， 各级衍射谱的强度分布为 [郁道银， 谈恒英， 工程光学 （第二 版）， 机械工业出版社， 2005年， 第 366页]:

其中： ^为照明光的振幅， 是衍射级次， 4是 «级衍射级次的光 强， W代表台阶数， A为最大的台阶高度， A是入射激光的波长， 《是材 料在波长 1下的折射率。

该公式表明当入射激光的波长发生变化， 各衍射级次的光强会相应 地变化。 通常光束整形元件按照 2π位相差的设计方式， 即； z= i/(«-l)， λ 是光束整形元件的工作波长， 但是实际加工过程中由于存在加工误差使 得台阶高度 /2存在一定的微小偏差 ί/ί。对于光束整形元件来说，被利用 的能量主要集中于 +1级衍射， 即 /71=1。

依据上述公式， 在工作波长 Α下， 能量利用率表示式为：

₇ . _{T r}s ( lN) sin^ & ，₂

^ = V4 = [ _{/ ¾n}J

π si · , ,

n (^& I N)

在检测波长 l'下， 能量利用率表达式为：

^{1 m} π sin [ τ(1 - c/b + c)/N]

其中， b=Ah n-V)/ λ， c=Ah{n'-\)l λ «'为波长 Α'时材料的折射率， 假 定 将上述两式相除，并且考虑到加工误差 远小于波长 I和 A'， b和 C是趋近于零的小量， 化简后可用得到相对能量利用率：

¹ N sin[^(l -c/b)/N]

其中， db= , 是光束整形元件的台阶数。 台阶数是光束整形元 件中位相 0~2π的均分个数。 所述的台阶数可以通过零级衍射效率得到， 在测量波长 l'下， 零级衍射效率为：

„ , _ τ , , τ 一 _Γ 1 sin(^ /6) _ί2

Ν smijtc I οΝ)

图 2是本发明光束整形元件的光学性能检测装置示意图。由图可见， 本发明用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置的构成包 括可见激光器 201， 在该可见激光器 201输出激光的方向同光轴地依次 设有扩束镜组 202、分束镜 203、第一远场成像透镜 206、可调光阑 208、 第二远场成像透镜 209和第二能量传感器 210;

所述的分束镜 203与所述的光轴成 45°设置， 在该分束镜 203的反 射光方向设有第一能量传感器 204;

待测光束整形元件 205位于所述的第一远场成像透镜 206的物方焦 面，所述的第一远场成像透镜 206、第二远场成像透镜 209的焦距均为 f， 第一远场成像透镜 206和第二远场成像透镜 209之间的距离为 2f， 所述 的第二能量传感器 210位于所述的第二远场成像透镜 209的像方焦面； 在所述的第一远场成像透镜 206和第二远场成像透镜 209的共焦面 设置所述的可调光阑 208，或设置 CCD图像传感器 207-2，该 CCD图像 传感器 207-2的感光面的中心具有中心遮拦 207-1。

所述的第一远场成像透镜 206 的物方焦面设有供待测光束整形元 件 205设置的调整架。

在所述的第一远场成像透镜 206和第二远场成像透镜 209的共焦面 位置设有供具有中心遮拦 207-1的 CCD图像传感器 207-2和可调光阑 208互换的互换机构， 当该互换机构换位时， 所述的可调光阑 208和所 述的 CCD图像传感器 207-2换位， 并且其中心均置于光路中的光轴上。

下面给出一个具体实施例， 详细介绍整个检测装置的器件构成、 光 路结构以及测量方法。

首先，选用可见波长激光器 201，例如波长 632.8 nm的氦氖激光器。 其输出光束的直径约为 0.5 mm， 需要在其后放入扩束准直镜组 202， 将 激光扩束到至少等于光束整形元件 205的通光口径 14.14 mm (即对角线 尺寸 =10 mmx V2 ),再用方孔光阑截取 10 mmxlO mm的光束照射在光束 整形器 205上。 分束镜 203采用半透半反镜， 将一半的激光能量反射到 输入端第一能量传感器上 204， 输入端第一能量传感器 204的口径需要 大于 14.14 mm, 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， 后续光路分为两种情况： A光路用于测量远场光强 分布， B光路用于测量能量利用率， 下面分别陈述。

在 A光路中采用 2-/的光路布置测量光束整形元件的远场光强分布。 光束整形元件 205位于第一远场成像透镜 206的前焦面， CCD图像传感 器 207-2位于第一远场成像透镜 206的后焦面，构成 2-/的光路布置。为 了确保远场像能够完全被 CCD图像传感器 207-2接收，第一远场成像透 镜 206的焦距 /应根据 CCD图像传感器 207-2中 CCD的尺寸选取， 依 据是：

/ < //2NA

其中： /为 CCD的尺寸， NA是光束整形元件 205的输出数值孔径。 另外， 根据衍射定律， NA与光束整形元件 205的台阶横向尺寸^ /和激 光波长 1有关， 计算公式为：

综合上述两个公式， 第一远场成像透镜 206 的焦距 /应满足：

f < l - d/2A

在本实例中， CCD尺寸 /选取 12 mm, 激光波长为 632.8 nm， 台阶 的横向尺寸 d为 5 μπι， 因此 /可以选用 40 mm。

在图 2中， CCD图像传感器 207-2的前端靠近 CCD的位置应放置 中心遮拦 207-1 以阻挡中心光斑。 中心遮拦 207-1与 CCD图像传感器 207-2中成像面积之比值应小于 0.05， 在本实施例中， 选用 0.5 mm直径 的圆形中心遮拦。

光束整形元件的测量过程如下：

①利用所述的置换机构将所述的中心遮拦、 CCD图像传感器置于光 路中；

②开启可见波长激光器， 调整扩束准直镜组， 将可见波长激光束扩 束到待测的光束整形元件的通光口径 14.14 mm (即对角线尺寸 =10 mmx V2 ), 再用方孔光阑截取 10 mmxlO mm方形的光束， 通过所述的 分束镜 203分为反射光束和透射光束， 该透射光束照射在待测的光束整 形元件 205上， 由所述的 CCD图像传感器 207-2探测；

③将测量得到的远场光强分布按照尺寸比例 λ'Ιλ缩小， 本实施例该 比例为 2.55倍， 缩小后的光强分布即为紫外工作波长下的光强分布。

图 2中 B光路用于测量光束整形元件 205的能量利用率。在 B光路 中采用 4-/的光路布置， 即用第一远场成像透镜 206和第二远场成像透 镜 209放于光路中， 将光束整形元件 205放于第一远场成像透镜 206的 前焦面， 可变光阑 208放在第一远场成像透镜 206的后焦面和第二远场 成像透镜 209的前焦面，第二能量传感器 210放于第二远场成像透镜 209 的后焦面。 两块远场成像透镜的焦距 /相同， 从光束整形元件 205到第 二能量传感器 210的距离为 4/， 因此称为 4-/光路。 可变光阑 208的位 置同 A光路中 CCD图像传感器 207-2的位置相同， 第一远场成像透镜 206的焦距 /也与 A光路中的相同。

能量利用率的测量过程如下：

①利用所述的置换机构将所述的可调光阑 208置于光路中；

②开启可见波长激光器 201，调整扩束准直镜组 202，将可见波长激 光束扩束到待测的光束整形元件的通光口径 14.14 mm (即对角线尺寸 =10 mmx V2 ),再用方孔光阑截取 10 mmxlO mm的光束，通过所述的分 束镜 203分为反射光束和透射光束， 该透射光束照射在待测光束整形元 件 205上；

①测量中心零级衍射光的衍射效率：

将可变光阑 208开至零级衍射光的尺寸 （本实施例为 0.3mm)， 仅 让中心光束通过。 经扩束镜组 202出射的光束经所述的分束镜 203反射 的激光束由所述的第一能量传感器 204测量入射光束的能量 4。 透过所 述的分束镜 203的透射光束， 照射在光束整形元件 205上， 再依次经过 第一远场成像透镜 206，可变光阑 208、第二远场成像透镜 209后由第二 能量传感器 210测量中心零级衍射光的能量 I_0o 中心零级衍射光的衍射 效率为： "₀、= _n。

④运用下面的公式计算光束整形元件的台阶数 N:

„ ,— , '〃 _ _{ _ smjnc / b) ₂

'/ο ' -Ό ' ¹ m ― T~. 77 7 J

N s (7tc I oN)

其中： clb= 、 A是紫外工作波长， A'是测量用的可见光的波长， sin 是正弦函数， π是数学常数。 在本实施例中

nm， 所 以 c/6=0.3919。 利用上述公式计算台阶数 N， 台阶数 N需为整数， 并且 通常是 2ⁿ， 例如 2、 4、 8等。 在本实施例中， 测量得到 /。'为 59.12%, 通过公式求得 W为 8。

⑤在可见光波长下， 测量 +1级衍射效率即能量利用率：

将可变光阑 208打开， 使得口径等于远场光强分布的尺寸 D。 依照 所述中心零级衍射光的衍射效率的测量方法， 分别用第一能量传感器 204和第二能量传感器 210同时记录下输入能量 „和输出能量 1!。 可见 光波长下的能量利用率 - Io)l I_in。 光束整形元件 205通常是利用其 ₇ __f l sin^(l-c/Z>) ₂

1 ¹ N sin[^(l-c/6)/N]

其中， N是所述光束整形元件的台阶数， clb= 、。 在本实施例中， 当台阶个数 T为 8，

结合所述的步骤⑤测量的可见光波长 下的能量利用率 ^和上述公式，求得光束整形元件在紫外工作波长下的 能量利用率^ 。

测试波长的选取应遵循以下原则： 测试波长 总是大于紫外工作波 长 且波长比 Ι'/λ不应太大， 最好介于 2〜4之间。 因为通过公式（5) 计算当 '/1=4时， ^'Λ/ Ο.Ο^ 两波长下的能量利用率相差超过 10倍， 测量的可靠性接近极限。

与先技术比较， 本发明的特点在于： 采用可见激光测量紫外光刻机 中光束整形元件的光学性能， 包括远场光强分布和能量利用率， 本发明 光束整形元件的光学性能检测装置具有成本低， 使甩简便， 测量快速的 特点。

Claims

权 利 要 求

1、一种用于紫外光刻机的光束整形元件的光学性能的检测装置，特 征在于其构成包括可见激光器（201 )， 在该可见激光器（201 )输出激光 的方向同光轴地依次设有扩束镜组（202)、 分束镜（203)、 第一远场成 像透镜（206)、可调光阑（208)、第二远场成像透镜（209)和第二能量 传感器 (210)；

所述的分束镜（203 )与所述的光轴成 45°设置， 在该分束镜（203 ) 的反射光方向设有第一能量传感器（204);

待测光束整形元件（205 )位于所述的第一远场成像透镜（206) 的 物方焦面， 所述的第一远场成像透镜（206)、 第二远场成像透镜（209) 的焦距均为 f， 第一远场成像透镜（206)和第二远场成像透镜 （209) 之间的距离为 2f， 所述的第二能量传感器（210)位于所述的第二远场 成像透镜（209) 的像方焦面；

在所述的第一远场成像透镜（206)和第二远场成像透镜（209) 的 共焦面设置所述的可调光阑 （208)， 或设置 CCD图像传感器（207-2)， 该 CCD图像传感器（207-2) 的感光面的中心具有中心遮拦（207-1 )。

2、 根据权利要求 1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置， 其特征在于所述的第一远场成像透镜 (206)的物方焦面设有供待测光束 整形元件（205 ) 设置的调整架。

3、根据权利要求 1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置，其 特征是在所述的第一远场成像透镜 （206)和第二远场成像透镜 （209) 的共焦面位置设有供具有中心遮拦（207-1 )的 CCD图像传感器（207-2) 和可调光阑（208)互换的互换机构， 当该互换机构换位时， 所述的可调 光阑（208)和所述的 CCD图像传感器（207-2)换位， 并且其中心均置 于光路中的光轴上。

4、根据权利要求 1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置，其 特征在于所述的分束镜 (203)为半透半反镜。

5、一种利用权利要求 1所述的光束整形元件的光学性能的检测装置 进行检测的方法， 其特征在于包括下列步骤：

1 )远场光强分布的检测：

①将所述的 CCD图像传感器（207-2)置于光路中；

②开启可见激光器 (201)， 调整扩束准直镜组 (202)， 将可见激光器 (201)发出的可见激光束扩束与待测的光束整形元件 (205)的通光口径相 同， 再让被方孔光阑截取的光束通过所述的分束镜（203)， 分为反射光 束和透射光束， 该透射光束照射在待测光束整形元件（205)上， 由所述 的 CCD图像传感器 (207-2)探测， 获得远场光强分布尺寸 D '；

D、 = 7 、f ld

其中: /为第一远场成像透镜（206)的焦距， ^为光束整形元件（205) 台阶的横向尺寸， T是可见激光波长；

③对应于紫外波长 I的远场光强分布尺寸 D=DVI/ L' _;

2) 能量利用率的检测：

②用可见波长为 A'的激光测量零级衍射效率

将可调光阑（208)的通光口径调小， 仅让中心零级光束通过， 用第 二能量传感器 （210)测量得到零级光强 /₀'， 用第一能量传感器（204) 测量得到入射光强 I_in， 利用下列公式计算待测光束整形元件（205) 的 台阶数 N;

其中： clb=XIX A是紫外工作波长；

③再测量波长 I'下的 +1级衍射效率 将所述的可调光阑（208)的通光口径调大至等于远场光强分布的尺 寸 ， 分别用第一能量传感器（204)和第二能量传感器（210)同时 记录下输入能量 和输出能量总光强 /₀₊/，利用下列公式计算 +1级衍射 效率：

③再利用下列公式计算待测光束整形元件（205)在紫外波长