一種光學可變衰減器透過率測量系統及測量方法
2023-05-18 10:29:41
專利名稱：一種光學可變衰減器透過率測量系統及測量方法
技術領域：
本發明涉及光刻機中能量衰減裝置的測量技術，特別是一種光學可變衰減器透過率的測量系統及測量方法，屬於光刻機中元件檢測領域。
背景技術：
光學可變衰減器(Variable Optical Attenuator-VOA)常用在光信息傳輸領域中，其可以補償光傳輸過程中的功率波動並對光功率進行預定量的衰減，使其與光信號接收器的工作範圍最佳的匹配，還可以保護光信號接收器以免過高的雷射能量帶來的損壞。在光能量衰減器的研究中，2001年由中科院上海光機所黃杰等人對基於變角度薄膜原理的光學可變衰減器做了分析研究，實驗證明該衰減器具有光束口徑大，連續精密可調，高能量負載，輸出光束質量高，控制調節方便準確等特點，變角度薄膜光學可變衰減器基於上述優 點，可應用在光刻系統中，其可通過控制入射光束角度，使得出射的光束透過率不同來控制系統光能透過效率，從而使晶片上的曝光劑量滿足光刻需求，在光學光刻中起著十分重要的作用。在驗證光刻中光學元件性能的測試過程中，通常採用準分子雷射器作為光源，但準分子雷射器發出的每個紫外雷射脈衝均存在著與期望能量相差±15%甚至更多的能量漂移，而且，襯底處的能量計量變化要求控制在±0. 1%或更低，目前，對基於變角度薄膜原理的光學可變衰減器測試方法報導較少，在已有的光學衰減器透過率測量方案中，傳統的光學透過率測試裝置採用單通道的方法，這也是大多數光學衰減器測試所採用的方法，測試過程分為空測和實測，但在這一過程中易受環境和光源波動的影響，使得測量結果誤差較大；2006年長春理工大學董起順等人提出了基於互相關技術的光學系統檢測方法，採用雙光路的結構，使用了平行光管，分光鏡，斬光器，鎖相放大器，積分球，娃光電池等裝置，如
圖1所示，其原理為斬光碟將平行光管發出的被測的光信號進行調製，並輸出一路參考信號，鎖相放大器將參考光束與測試光束的光信號與信號發生器輸出的響應調製頻率的參考信號做互相關運算，去除噪聲和幹擾信號，提取出相應調製頻率的測試光束和參考光束的有用信號再進行運算處理。測試分為空測和實測，最後得到透過率的表達式為T = X R(6)
V1其中R為空測時標定的分光比，Vl為實測時參考光路出射光通量對應的電壓值，V2為實測時測試光路出射光通量對應的電壓值。但這種方法需要對光信號進行調製和解調，使得系統結構較為複雜，且在準分子雷射光源作為系統光源的情況下，發出的雷射光束本身為高頻率的脈衝光束，不需要信號發生器，鎖相放大器等系列器件對雷射光束進行調製和解調，所以在這種情況下，採用相關檢測的方法去除噪聲的影響變得不可行。本發明採用雙光路的測量方式，在本發明的光學可變衰減器的測試裝置中，除去分光鏡分光比的影響，作為會聚光束的兩個聚光鏡透過率差異和探測器自身內部噪聲也對測量結果產生了影響，在光源能量波動比較大的情況且測量精度要求較高的情況下，這種影響不可忽略，為了解決這個問題，採取預先標定兩路測試元件透過率差異的方法，首先在光路中移出可變衰減器，對分光鏡，聚光鏡，濾光片等器件對測量結果的影響進行多次測量；接著將可變衰減器移入光路中，記錄測試光路和參考光路的測量結果。在此過程中，均用雙光路來消除雷射光束由於能量漂移帶來的波動性。同時採用多次採樣求平均的方法減小測量誤差，而且在測試的控制系統中加入了同步電路使得接受曝光信號的光電探測器得以同步工作，提高了測量精度。本發明的測量系統結構比較緊湊，簡潔，測試系統也易於操作。由於在光刻機的工作過程中需要不斷調節晶片上的曝光劑量，使其滿足光刻需求，這就要求對光學可變衰減器的入射角度和透過率關係進行測量，以決定其在使用過程中的衰減量。由於可變衰減器的透過率與光束入射的偏振狀態有關，在不同偏振光入射的情況下，由理論計算而得，當光束入射角度增大時，透過率之間的差異也不斷增大，因此有必要在測試過程中，對兩種不同偏振狀態下的透過率分別進行測量。對可變衰減器的透過率測試還包括對其透過率範圍，入射角度與透過率關係的測試等。
發明內容
本發明技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種光學可變衰減器透過率的測量系統及測量方法，可應用在工作波長為深紫外波段的光學系統，實現高精度，多功能的檢測，由此可大大降低檢測成本。本發明技術解決方案一種光學可變衰減器透過率測量系統，包括準分子雷射光源1，能量衰減裝置2，，偏振片3，半波片4，濾光片5，分光鏡6，光學可變衰減器7，第一聚光鏡組81和第二光鏡組82，第一光束探測單元91和第二光束探測單元92，同步控制電路10，示波器11和計算機12 ;其中，偏振片3和半波片4構成偏振轉換裝置，第一聚光鏡組81和第一聚光鏡組82構成光束接收單元，第一光束探測單元91和第二光束探測單元92構成光束探測單元，同步控制電路10，示波器11和計算機12構成數據處理和控制系統；可調準分子雷射光源I發出高斯光束到能量衰減裝置2，光束經過衰減裝置2後入射到偏振轉換裝置3和半波片4上，經過偏振轉換裝置3和半波片4後的光束入射到濾光片5上，經過濾光後的光束入射到分光鏡6上並被分成兩束光束，分別進入測試光路和參考光路中，測試光路的光信號經第一聚光鏡組81後進入第一光束探測單元91，產生測試光路曝光量成正比的電信號；參考光路的光信號經第二聚光鏡組82後進入第二光束探測單元92，產生與參考光路曝光量成正比的電信號；兩路光束探測單元輸出的電壓信號存儲在示波器11中，示波器11顯示並記錄每次測量的兩路透過率數據，最後將測量數據其導入計算機12中進行處理。其中，當雷射器開始工作後，發出觸發脈衝到同步控制電路10，同步控制電路10接到觸發信號後發出指令給第一光束探測單元91和第二光束探測單元92，使其開始同步工作。計算機12中的控制軟體可控制待測光學可變衰減器7上軸角編碼器的轉動，軸角編碼器帶動可變衰減器7進行轉動，可進行不同入射角度時的透過率測量。其中所訴測量系統中，濾光裝置為紫外閃耀光柵或紫外濾光片。濾光片5的位置既可放在半波片4與分光鏡6之間，也可以放在能量衰減裝置2與偏振片3之間。其中所訴測量系統中，光束探測單元為紫外單點光電探測器或紫外光電二極體或帶有將紫外光轉化為可見光裝置的可見光探測器組成，其將測試光路和參考光路的不同的光強信號轉化為與之成正比的電壓信號。一種光學可變衰減器透過率測量方法，包括，步驟1:準分子雷射光源I產生照明光束，經過能量衰減裝置2，偏振片3，半波片4後,光束被轉換為P光,經濾光片5後入射到分光鏡6上,分光鏡6將光束一分為二為測試光束和參考光束；步驟2 :給可變衰減器加電，通過計算機12上控制軟體將可變衰減器轉到與光軸平行的位置，此時光束完全通過，相當於待測光學可變衰減器7移出光路中，步驟I中分光鏡6將光束分為兩路光束，其反射的第一路光，即為參考光路，通過第一聚光鏡組81聚焦到光電探測器91上；分光鏡透射的第二路光，即為測試光路，光束通過第二聚光鏡組82上聚焦到光電探測器92上，對準光路開始測量，用示波器記錄η組參考光路和測試光路的光電探測器輸出電壓數據，設其分別為 參考光路=V1,V2，V3. ... Vln ;測試光路V/，v，V....Vη 彡 200 ;步驟3 :通過在計算機12上操作控制軟體，控制軟體發出指令給軸角編碼器進行旋轉，使得可變衰減器7轉動，將可變衰減器7轉到與垂直入射光軸方向成10°的位置，此時相當於將可變衰減器7移入光路中，步驟I中分光鏡6將光束分為兩路光束，其反射的第一路光，即為參考光路，通過第一聚光鏡組81聚焦到第二光電探測器91上；分光鏡透射的第二路光，即為測試光路，入射光束經過待測光學可變衰減器7後進行衰減，經過衰減後的光束通過第二聚光鏡組82聚焦到第二光電探測器92上。對準光路開始測量，用示波器記錄在P光入射狀態下，入射角為10°時η組測試光路和參考光路輸出的電壓數據，設其分別為參考光路V22,V22, V23, V24.......V2n；測試光路V21,，v，V，V.......V步驟4 :根據示波器所記錄空測時和實測時的兩路電壓信號，使用計算機12進行數據處理，求解出可變衰減器7在P光入射狀態下10°入射角時的透過率。根據移出可變衰減器7 (即空測)時所得到的參考光路和測試光路的測量電壓值分別為參考光路Vn，V12,V13, V14, ... Vln ;測試光路V11,，v，V，V,..V1/ ；以參考光路的電壓值為橫坐標軸，測試光路的電壓值為縱坐標軸，在excel中畫出XY方向上的散點圖，並添加線形趨勢線A，對離散點進行線性擬合，當採樣點數n>200時，趨勢線A周圍點波動不大，圖線線形度較好，設此線形趨勢線A公式為Y1 = Ii1X^b1(7)其中yi為空測時測試光路的電壓值的集合，X1為空測時參考光路電壓值的集合，k!為此線形趨勢線A的斜率，Id1為A在y軸上的截距。插入可變衰減器7 (即實測)，當入射光束與可變衰減器7夾角為10°時所得到的參考光路和測試光路的測量電壓值分別為
參考光路V21，V22, V23, V24, ... V2n ;測試光路=V21V 1 V 1 > v22 > v23\J ! \J ! v 24 ，· · v 2n ;
以參考光路的電壓值為橫坐標軸，測試光路的電壓值為縱坐標軸，在excel中畫出XY方向上的散點圖，並添加線形趨勢線B，對離散點進行線性擬合，設此線形趨勢線B公式為
y2 =k2x2+b2(8)
其中y2為實測時測試光路的電壓值的集合，χ2為實測時參考光路電壓值的集合，k2為此線形趨勢線B的斜率，b2為B在y軸上的截距。
將空測時參考光路所得電壓值分別代入公式7和公式8中，得到
Yn =kiV11+b1
112 =Ii1V1Jb1
Yi3 =Ii1V1^b1
Yi4 =Ii1VJb1(9)
Yln =kiV15+b1
y2i =k2Vn+b2
122 —^2^12^2
12-0 —^2^13^2
又24 =k2V14+b2(10)
l2n — 將(3)式和(4)式中對應項值相除，即
權利要求
1.一種光學可變衰減器透過率測量系統，其特徵在於包括準分子雷射光源(I)、能量衰減裝置(2)、偏振片(3)、半波片(4)、濾光片(5)、分光鏡(6)、光學可變衰減器(7)、第一聚光鏡組(81)和第二光鏡組(82)、第一光束探測單元(91)和第二光束探測單元(92)、同步控制電路(10)、示波器(11)和計算機(12);其中，偏振片(3)和半波片(4)構成偏振轉換裝置，第一聚光鏡組(81)和第一聚光鏡組(82)構成光束接收單元，第一光束探測單元(91)和第二光束探測單元(92)構成光束探測單元，同步控制電路(10)、示波器(11)和計算機(12)構成數據處理和控制系統；準分子雷射光源(I)發出高斯光束到能量衰減裝置(2)，光束經過衰減裝置(2 )後入射到偏振轉換裝置(3 )和半波片(4 )上，經過偏振轉換裝置(3 )和半波片(4)後的光束入射到濾光片(5)上，經過濾光後的光束入射到分光鏡(6)上並被分成兩束光束，分別進入測試光路和參考光路中，測試光路的光信號經第一聚光鏡組(81)後進入第一光束探測單元(91)，產生測試光路曝光量成正比的電信號；參考光路的光信號經第二聚光鏡組(82)後進入第二光束探測單元(920，產生與參考光路曝光量成正比的電信號；兩路光束探測單元輸出的電壓信號存儲在示波器(11)中，示波器(11)顯示並記錄每次測量的兩路電壓信號數據，最後將測量數據其導入計算機(12)中進行處理；其中，當準分子雷射光源(I)開始工作後，發出觸發脈衝到同步控制電路(10)，同步控制電路(10)接到觸發信號後發出指令給第一光束探測單元(91)和第二光束探測單元(92)，使其開始同步工作；計算機(12)中控制待測光學可變衰減器(7)上軸角編碼器的轉動，軸角編碼器通過機械結構帶動可變衰減器(7 )進行轉動，可進行不同入射角度時的透過率測量。
2.如權利要求1所述的一種光學可變衰減器透過率測量系統，其特徵在於所述步驟I中，所述濾光片(5)為紫外閃耀光柵或紫外濾光片；濾光片(5)的位置既可放在半波片(4)與分光鏡(6)之間，也可以放在能量衰減裝置2與偏振片3之間。
3.如權利要求1所述的一種光學可變衰減器透過率測量系統，其特徵在於所述步驟I中，所述光束探測單元(91)和(92 )為紫外單點光電探測器或紫外光電二極體或帶有將紫外光轉化為可見光裝置的可見光探測器組成，其將測試光路和參考光路的不同的光強信號轉化為與之成正比的電壓信號。
4.一種利用權利要求1所述的光學可變衰減器測量系統進行透過率測量的方法，其特徵在於實現步驟如下 步驟1:準分子雷射光源(I)產生照明光束，經過能量衰減裝置(2)、偏振片(3)、半波片(4)後,光束被轉換為P光,經濾光片(5)後入射到分光鏡(6)上,分光鏡(6)將光束一分為二為測試光束和參考光束； 步驟2 :給可變衰減器加電，通過計算機(12)將可變衰減器轉到與光軸平行的位置，此時光束完全通過，相當於待測光學可變衰減器(7)移出光路中，步驟I中分光鏡(6)將光束分為兩路光束，其反射的第一路光，即為參考光路，通過第一聚光鏡組(81)聚焦到第一光電探測器(91)上；分光鏡(6)透射的第二路光，即為測試光路，光束通過第二聚光鏡組(82)上聚焦到第二光電探測器(92)上，對準光路開始測量，用示波器記錄n組參考光路和測試光路的光電探測器輸出電壓數據，分別為 參考光路=V1, V2, V3. . . . Vln ； 測試光路V/，V，V ....V1/ n ^ 200 ； 步驟3 :通過在計算機(12)發出指令給軸角編碼器進行旋轉，使得可變衰減器(7)轉動，將可變衰減器(7)轉到與垂直入射光軸方向成10°的位置，此時相當於將可變衰減器(7)移入光路中，步驟I中分光鏡(6)將光束分為兩路光束，其反射的第一路光，即為參考光路，通過第一聚光鏡組(81)聚焦到第二光電探測器(91)上；分光鏡透射的第二路光，即為測試光路，入射光束經過待測光學可變衰減器(7 )後進行衰減，經過衰減後的光束通過第二聚光鏡組82聚焦到第二光電探測器(92)上；對準光路開始測量，用示波器記錄在P光入射狀態下入射角為10°時n組測試光路和參考光路輸出的電壓數據，分別為 參考光路v22，V22, V23, V24.......V2n; 測試光路v2/，v，V，v .......V ； 步驟4:根據示波器(11)所記錄空測時和實測時的兩路電壓信號，使用計算機(12)進行數據處理，求解出可變衰減器(7)在P光入射狀態下10°入射角時的透過率； 根據移出可變衰減器7，即空測時所得到的參考光路和測試光路的測量電壓值分別為參考光路Vn，V12，V13, V14,... Vln ； 測試光路=V1/，v，V，V，..v ； 以參考光路的電壓值為橫坐標軸，測試光路的電壓值為縱坐標軸，在excel中畫出XY方向上的散點圖，並添加線形趨勢線A，對離散點進行線性擬合，當採樣點數n>200時，趨勢線A周圍點波動不大，圖線線形度較好，設此線形趨勢線A公式為 Y1 = kiXj+bj(I) 其中Y1為空測時測試光路的電壓值的集合，X1為空測時參考光路電壓值的集合，k:為此線形趨勢線A的斜率，Id1為A在y軸上的截距； 插入可變衰減器(7)，即實測，當入射光束與可變衰減器(7)夾角為10°時所得到的參考光路和測試光路的測量電壓值分別為參考光路V21，V22, V23, V24,... V2n ; 測試光路v2/，v，V，v，..V ； 以參考光路的電壓值為橫坐標軸，測試光路的電壓值為縱坐標軸，在excel中畫出XY方向上的散點圖，並添加線形趨勢線B，對離散點進行線性擬合，設此線形趨勢線B公式為12 — k2x2+b2(2) 其中y2為實測時測試光路的電壓值的集合，X2為實測時參考光路電壓值的集合，k2為此線形趨勢線B的斜率，b2為B在y軸上的截距； 將空測時參考光路所得電壓值分別代入公式I和公式2中，得到
5.如權利要求4所述的光學可變衰減器透過率的測量方法，其特徵在於所述步驟2中，測試光路和參考光路的光電探測單元要求同步工作。
6.如權利要求4所述的光學可變衰減器透過率的測量方法，其特徵於所述步驟2-3中，可在計算機12上通過控制軟體控制是否給可變衰減器(7)復位來使其移入和移出光路，復位時，可變衰減器的衰減片與補償片與入射光光軸平行，相當於將可變衰減器(7)移出光路；當給出軸角編碼器偏移範圍讓其旋轉時，可變衰減器(7)與入射光束成一定夾角，相當於將其移入光路。
7.如權利要求4所述的光學可變衰減器透過率的測量方法，其特徵在於所述步驟4中對兩組離散數據值也可進行其他方式的擬合，包括最小二乘擬合或基於多項式的擬合。
8.如權利要求4所述的光學可變衰減器透過率的測量方法，其特徵在於步驟4中，也可以將實測時參考光路所得電壓值分別代入公式I和公式2中，得到對應的yln和y2n值，將對應項相除，再進行計算。
全文摘要
一種光學可變衰減器透過率測量系統及測量方法，用分光鏡將準分子雷射光源的光束分為測試光路和參考光路；將可變衰減器移出光路中，記錄空測時兩個通道的測量數據；將可變衰減器移入光路中，記錄實測時兩個通道的測量數據；將空測和實測時的測量數據進行處理,計算出可變衰減器的透過率。本發明用該方法測量光學可變衰減器隨入射角度變化的透過率，具有較高的測量精度和測量多功能性。
文檔編號G01M11/02GK103018011SQ20121049992
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月29日 優先權日2012年11月29日
發明者邢莎莎, 廖志傑, 林嫵媚 申請人:中國科學院光電技術研究所