ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置及測量方法

2023-12-09 10:05:41 2

專利名稱：ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明屬於ArF準分子雷射應用技術領域，涉及一種ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置。
背景技術：
光波是一種橫波，其光波矢量的振動方向垂直於光的傳播方向。根據光波矢量振動方向的變化情況，可以將光分成自然光和偏振光，偏振光又可以進一步分為平面偏振光 (線偏光)、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光。對於線偏振光，根據光波矢量振動方向，又可以分為P偏振和S偏振，其中光波電矢量平行於入射平面的為P偏振，光波電矢量垂直於入射平面的為S。基於受激發射機理，絕大部分的雷射都是偏振光，偏振是雷射的重要特性。 與此同時，為了實現特定的偏振光輸出，雷射器腔內需要使用偏振光學元件。雷射器腔內的偏振光學元件對於雷射輸出的功率和偏振度都有重要影響。在ArF準分子雷射器中，為了實現極窄的波長輸出，需要採用線寬壓窄光學模塊，該光學模塊包含了多個用於光學擴束的色散稜鏡。線寬壓窄光學模塊不僅直接決定了 ArF準分子雷射器的輸出線寬，而且對於 ArF準分子雷射器的輸出功率和偏振度都有十分重要的影響。因此，精確表徵ArF準分子雷射器光學薄膜元件的偏振特性，對於其光學薄膜元件的加工、製備、以及整個ArF準分子雷射器的研究都具有重要意義。為了確定光學薄膜元件的偏振特性，需要包含有偏振光學元件的偏振光測量裝置。偏振光學元件包括一個起偏光學元件和一個檢偏光學元件，起偏器和檢偏器的基本原理和功能都是相同的，即讓一個電矢量振動方向的光通過器件，而抑制電矢量振動方向與之垂直的光。在深紫外波段，常採用的偏振光學元件的基本類型包括格蘭-泰勒稜鏡和 Rochon 梭鏡。目前國際上已經建立的光學薄膜元件偏振特性的測量裝置主要包括帶有偏振光學測量附件的分光光譜儀和橢偏儀。但是針對ArF雷射光學薄膜元件偏振特性測量，上述兩類測量裝置都有不足之處。分光光譜儀的種類很多，可以分為單光路和雙光路兩種結構類型，其中單光路結構只包含樣品光路，而雙光路則同時包含樣品光路和參考光路。除此之外，還有採用雙探測器的單光路結構分光光譜儀。現有帶偏振光學測量附件的雙光路結構分光光譜儀。此類偏振特性測量裝置的主要工作機理是在非偏振特性測量功能的基礎上，通過在光學薄膜元件測量光路中插入偏振光學元件，控制光學元件表面入射光的偏振態，進而獲得光學薄膜元件的偏振特性。此類偏振特性測量裝置主要是針對寬光譜範圍非偏振態特性測量應用，因此，在非偏振特性測量時具有較高的精度。但是偏振測量特性並不是其關注的主要目標，其偏振特性測量僅僅採用了一個起偏光學元件，在探測器前面並沒有採用檢偏光學元件，不能精確評價由於光學薄膜元件退偏效應導致的影響，因此，其偏振特性的測量精度比較有限，且由於工作波長範圍很寬，其偏振特性測量波長範圍往往不能覆蓋到ArF雷射的193nm波長。此外，此類偏振特性測量裝置在測量反射時，需要採用專門設計的反射測量附件，才能滿足不同入射角時的反射特性。此類帶偏振附件分光光譜儀包括了目前所有主要商用分光光譜儀產品，如美國PE公司的系列分光光譜儀產品。現有帶偏振光學測量附件的雙探測器單光路結構分光光譜儀。此類偏振特性測量裝置的主要工作機理也是在非偏振特性測量功能的基礎上，通過在光學薄膜元件測量光路中插入偏振光學元件，控制光學元件表面入射光的偏振態，進而獲得光學薄膜元件的偏振特性。與現有帶偏振光學測量附件的雙光路結構分光光譜儀相比，其採用了雙探測器單光路結構，即在光學薄膜元件前面利用一個斬波器，將入射光切換成兩束光，一束光反射進入參考探測器，另一束光入射到光學元件樣品表面。與現有帶偏振光學測量附件的雙光路結構分光光譜儀相似，此類偏振特性測量裝置的偏振特性測量也僅僅採用了一個起偏光學元件，在信號光探測器的前面並沒有採用檢偏光學元件，同樣不能精確評價由於光學薄膜元件退偏效應導致的影響，其偏振特性的測量精度也是比較有限。但是其偏振特性測量波長範圍能夠覆蓋ArF雷射的193nm波長，也可以測量不同角度入射時的反射特性。現有光譜型橢偏光譜儀。此類偏振特性測量裝置的主體包括一個起偏器、一個檢偏器和一個探測器。其主要工作機理是固定起偏器(和檢偏器)在一個合適的角度，通過測量並比較檢偏器(或起偏器)在不同角度時的探測器探測到的信號光強，進而獲得兩個橢偏測量參量Ψ和△。為了能夠表徵光學樣品的退偏效應，可以在上述裝置的基礎上，在光路中增加一個可調或旋轉的補償器。從上述表述可以看到，此類偏振特性測量裝置的主要目的是測量橢偏參量Ψ、Δ以及偏振度。雖然可以測量偏振光的強度，但實際上主要是測量偏振光的相對強度，並且是針對樣品反射特性的測量。

發明內容
本發明要解決的一個技術問題是提供一種適用於測量各種不同形狀光學薄膜元件在不同入射角時的偏振反射率、偏振透射率、反射退偏度和透射退偏度，從而最大限度滿足各種ArF雷射光學薄膜元件偏振性能評價需要的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置。為了解決上述技術問題，本發明的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置包括ArF準分子雷射器、ArF準分子雷射擴束準直裝置、可變光闌、起偏器、分束器、樣品臺、 193nm參比光偏振探測裝置、193nm透射光偏振測量裝置、193nm反射光偏振探測裝置；ArF 準分子雷射器發出的光束經ArF準分子雷射擴束準直裝置擴束準直後照射到可變光闌，再由可變光闌調節光斑大小，然後由起偏器轉變為偏振光後入射到分束器；193nm參比光偏振探測裝置位於分束器的反射光路上，樣品臺位於分束器的透射光路上；193nm透射光偏振測量裝置固定安裝在第一可旋轉支撐臂上，193nm反射光偏振探測裝置固定安裝在第二可旋轉支撐臂上；樣品臺、第一可旋轉支撐臂和第二可旋轉支撐臂位於同一平面內並具有同一旋轉中心，且該旋轉中心位於主光軸上。所述193nm參比光偏振探測裝置、193nm反射光偏振探測裝置、193nm透射光偏振測量裝置各包含一個檢偏器和一個探測器，檢偏器和探測器準直放置。所述起偏器採用Rochon稜鏡偏振片。所述檢偏器採用Rochon稜鏡偏振片，探測器採用光電倍增管。
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所述ArF雷射擴束準直鏡和可變光闌安裝在第一矩形真空腔體底板上；起偏器和分束器安裝在第二矩形真空腔體底板上；193nm參比光偏振探測裝置安裝在第三矩形真空腔體底板上；193nm透射光偏振測量裝置、樣品臺、193nm反射光偏振探測裝置安裝在第四矩形真空腔體內部；第一矩形真空腔體沿主光軸方向前後相對開有兩個開口 ；第二矩形真空腔體沿主光軸方向前後相對開有兩個開口，在分束器反射光路方向有一個開口 ；第三矩形真空腔體在分束器反射光路方向有一個開口 ；第四矩形真空腔體在主光軸方向有一個前開口 ；各矩形真空腔體之間採用圓形管路連接；第一矩形真空腔體的前開口用窗片密封， 並且該開口的邊上安裝通入N2氣的連接管路；所述第四矩形真空腔體上部的密封板上有一個開口，利用一個帶有密封膠圈的蓋子進行密封。本發明的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置可以分別實現ArF雷射光學薄膜元件不同入射角度的偏振反射率和偏振透射率等兩種測試功能，並在此基礎上實現對光學薄膜元件反射退偏度和透射退偏度的測量。
本發明要解決的另一個技術問題是提供一種使用上述ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置測量光學薄膜元件偏振性能的方法。為了解決上述技術問題，本發明的使用上述ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置測量光學薄膜元件偏振性能的方法包括如下步驟a、變角度偏振反射率測量根據光學薄膜元件的大小，設定可變光闌大小；將起偏器、193nm參比光偏振探測裝置的檢偏器、193nm透射光偏振探測裝置的檢偏器設定為同一偏振態；在光學薄膜元件沒有放入樣品臺之前，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值作為參考百線值；然後將光學薄膜元件置於樣品臺上，調整樣品臺，設定所需的光學薄膜元件表面入射角度，設定193nm反射光偏振探測裝置的檢偏器偏振態，使其與起偏器相同；轉動第一可旋轉支撐臂使193nm反射光偏振探測裝置探測器的讀數最大；分別記錄193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm反射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm反射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值再除以前面得到的參考百線值，得到相應入射角度下光學薄膜元件的偏振反射率；b、變角度偏振透射率測量根據光學薄膜元件的大小，設定可變光闌大小；將起偏器、193nm參比光偏振探測裝置的檢偏器、193nm透射光偏振探測裝置的檢偏器設定為同一偏振態；在光學薄膜元件沒有放入樣品臺之前，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值作為參考百線值；然後將光學薄膜元件放入樣品臺，調整樣品臺，設定所需的光學薄膜元件入射角度；轉動第二可旋轉支撐臂使193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數最大；測量記錄193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm 透射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值再除以前面得到的參考百線值，得到相應入射角度下，光學薄膜元件的偏振透射率；C、變角度反射退偏度測量設定起偏器的偏振態為P偏振，在光學薄膜元件沒有放入樣品臺之前，將193nm參比光偏振探測裝置和193nm透射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為P偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值作為P偏振態參考百線值；然後將193nm參比光偏振探測裝置和193nm透射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為S偏振，分別記錄 193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光 偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值作為S偏振態參考百線值；將光學薄膜元件放入樣品臺，調整樣品臺，設定所需的光學薄膜元件表面入射角度，將193nm參比光偏振探測裝置和193nm反射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為P偏振，轉動第一可旋轉支撐臂使193nm反射光偏振探測裝置探測器的讀數最大，測得光學薄膜元件的P偏振態反射率Rp ；然後，將193nm參比光偏振探測裝置和193nm反射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為S偏振，測得光學薄膜元件的S偏振態反射率Rs，利用Rp和Rs計算通過光學薄膜元件後ArF雷射的偏振度，得到光學薄膜元件的P偏振態反射退偏度和光學薄膜元件的S偏振態反射退偏度；d、變角度透射退偏度測量設定起偏器的偏振態為P偏振，在光學薄膜元件沒有放入樣品臺之前，將193nm參比光偏振探測裝置和193nm透射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為P偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值作為P偏振態參考百線值；然後將193nm參比光偏振探測裝置和193nm透射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為S偏振，分別記錄 193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置探測器的讀數，得到的數值作為S偏振態參考百線值；將光學薄膜元件放入樣品臺，調整樣品臺，設定所需的光學薄膜元件表面入射角度，將193nm參比光偏振探測裝置和193nm透射射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為P偏振，轉動第二可旋轉支撐臂使193nm透射光偏振探測裝置探測器的讀數最大，測得光學薄膜元件的P偏振態透射率Tp ；將193nm參比光偏振探測裝置和193nm透射射光偏振探測裝置中的檢偏器同時設置為S偏振，測得光學薄膜元件的S偏振態透射率Ts，利用Tp和Ts計算通過光學薄膜元件後ArF雷射的偏振度，得到光學薄膜元件的P偏振態透射退偏度和光學薄膜元件的S偏振態透射退偏度。本發明的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置採用了參比光、反射光、透射光等三套偏振光探測裝置，反射和透射偏振光探測裝置分別安裝在兩個可在0-180度範圍內連續轉動的旋轉臂上，並採用了一套可在0-360度範圍內轉動的旋轉樣品臺，從而可以分別實現ArF雷射光學薄膜元件不同入射角度的偏振反射率、偏振透射率、反射退偏度和透射退偏度四種測試功能於同一個測量裝置。本發明與目前國際上已有的偏振測量裝置相比，突出特點是四種測試功能於一體，並且可以同時測量不同形狀的光學薄膜元件在不同入射角時的偏振反射率和透射率，以及測量評價光學薄膜元件的反射退偏度和透射退偏度，從而最大限度滿足各種ArF雷射光學薄膜元件偏振性能評價的需要。本發明適合ArF雷射波長應用，是多功能變角度通用綜合偏振測量裝置，其有益效果如下1.可專門針對ArF雷射波長的光學薄膜元件進行偏振特性測試，結構緊湊。
2.集多種功能於一體，可以實現不同形狀的光學薄膜元件的不同角度的偏振反射率、偏振透射率、偏振反射退偏度、及偏振透射退偏度測量。3.可以測量不同類型的光學薄膜元件，包括反射膜片、透射膜片、稜鏡等。4.對所有四種測量功能和不同類型光學元件，都可以實現大角度範圍內的變角度測試，從而滿足更多的實際應用需求。5.偏振特性測量不僅採用了一個起偏光學元件，在探測器前面還採用了檢偏光學元件，能精確評價由於光學薄膜元件退偏效應導致的影響，測量精度較高。6.光路結構密封在真空腔體管路中，避免了由於光學元件吸附灰塵等造成的測量精度降低，並且增加了整個裝置的使用壽命。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。圖1為本發明的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置的光路圖。圖2為本發明的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置結構示意圖。圖3為對稜鏡進行綜合偏振測量時的光路圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置包括沿主光軸順序放置的ArF準分子雷射器23、ArF準分子雷射擴束準直裝置5、可變光闌6、起偏器7、分束器8、樣品臺22，193nm參比光偏振探測裝置9，193nm透射光偏振測量裝置11，193nm反射光偏振探測裝置12 ；193nm參比光偏振探測裝置9位於分束器8的反射光路上，樣品臺22 位於分束器8的透射光路上；193nm透射光偏振測量裝置11固定安裝在第一可旋轉支撐臂 24上，193nm反射光偏振探測裝置固定安裝在第二可旋轉支撐臂25上；樣品臺22、第一可旋轉支撐臂24和第二可旋轉支撐臂25位於同一平面內並具有同一旋轉中心，且該旋轉中心位於主光軸上。本發明的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置還包括真空腔體管路，真空腔體管路由四個大小不同的矩形真空腔體和連接這些矩形真空腔體之間的圓形管路組成，矩形真空腔體均為徑向垂直水平面固定放置在一個金屬柜上方。第一矩形真空腔體1沿水平入射光路方向前後相對開有兩個開口 ；第二矩形真空腔體2除了沿水平入射光路方向前後相對開有兩個開口，在垂直入射光路方向也有一個開口 ；第三矩形真空腔體3隻在沿垂直入射光路方向有一個前開口 ；第四矩形真空腔體4隻在沿水平入射光路方向有一個前開口。第一矩形真空腔體1的前開口用熔石英或CaF2窗片密封，並且該開口的邊上安裝通入 N2氣的連接管路，在後開口通過一段矩形真空管路與第二矩形真空腔體2的前開口相連； 第二矩形真空腔體2垂直入射光路方向的開口通過一段矩形真空管路與第三矩形真空腔體3的開口相連；第二矩形真空腔體2的後開口通過一段矩形真空管路與第四矩形真空腔體4的開口相連。第一矩形真空腔體1底板上安裝了一組ArF雷射擴束準直鏡5和一個可變光闌6。第二矩形真空腔體2底板上安裝了一個起偏器7，在起偏器7後面是一個分束器 8。
第三矩形真空腔體3底板上安裝193nm參比光偏振探測裝置9，193nm參比光偏振探測裝置9包括一個檢偏器和一個探測器。第四矩形空腔體4軸向上部的密封板上有一個大小適度的開口，利用一個帶有密封膠圈的蓋子進行密封。第四矩形真空腔體4內部包括193nm透射光偏振測量裝置11、 樣品臺22、193nm反射光偏振探測裝置12。樣品臺22形狀為圓形，圓心位於入射光線上。 樣品臺22的大小可以根據實際測量光學薄膜元件樣品21的大小選擇合適尺寸，利用步進電機驅動可使樣品臺22圍繞圓心在水平方向0-360度範圍內連續轉動。193nm反射光偏振探測裝置12位於樣品臺22入射光一側，包含一個檢偏器和一個探測器，安裝在第一旋轉支撐臂24上，可以繞樣品臺22的圓心旋轉，旋轉角度範圍為入射光與樣品臺22中心連線士90度。193nm透射光偏振測量裝置11位於樣品臺22出射光一側，包含一個檢偏器和一個探測器，安裝在第二旋轉支撐臂25上，可以繞樣品臺22的圓心旋轉，旋轉角度範圍為入射光與樣品臺中心連線士90度。193nm反射光偏振探測裝置12和193nm透射光偏振測量裝置11都採用步進電機驅動的方式進行定位轉動。所述193nm參比光偏振探測裝置9、193nm反射光偏振探測裝置12和193nm透射光偏振探測裝置11均包含一個檢偏器和一個探測器；檢偏器採用Rochon稜鏡偏振片，探測器採用高靈敏的光電倍增管，檢偏器和探測器準直放置。所述樣品臺22可以利用步進電機驅動使樣品臺22圍繞圓心在水平方向0-360度範圍內連續轉動。驅動樣品臺22、第一可旋轉支撐臂24、第二可旋轉支撐臂25旋轉的步進電機， 193nm參比光偏振探測裝置9、193nm透射光偏振測量裝置11、193nm反射光偏振探測裝置12的數據讀取、數據計算及測量過程監控，均由數據獲取與控制系統利用可編程軟體 Labview 實現。所述樣品數據獲取和控制系統，由計算機，步進電機控制卡、驅動器等組成，利用可編程軟體Labview實現儀器控制、數據採集和過程監控等功能。Rochin偏振稜鏡的工作原理在ArF雷射波長，Rochin偏振稜鏡是偏振分光元件的主要選擇。Rochin偏振稜鏡是由兩塊光軸相互正交的稜鏡膠合組成，其中第一塊的光軸與入射方向相同。通過入射光中不同偏振態在膠合界面的不同折射效應，實現透過光的偏振態的選擇。在ArF雷射波長， 可以選擇石英晶體或MgF2晶體作為稜鏡的材料選擇。本發明的光學薄膜元件綜合偏振測量裝置的主體及其工作模式光學薄膜元件綜合偏振測量裝置的主體包括一個起偏裝置、三套193nm波長偏振光探測裝置和一個樣品臺。其中有兩套193nm波長偏振光探測裝置分別安裝在兩個0-180 度範圍內連續轉動的方位角旋轉機構上，一套0-360度範圍內轉動的方位角旋轉樣品臺。
該裝置可以實現四種測量功能
變角度偏振反射率測量功能根據光學薄膜元件的大小，設定第一矩形真空腔體1中的可變光闌6大小；設定起偏器7選擇偏振態，並據此分別設定第三矩形真空腔體3中193nm參比光偏振探測裝置9的檢偏器狀態，以及第四矩形真空腔體4中193nm透射光偏振探測裝置11的檢偏器狀態；在光學薄膜元件21沒有放入樣品臺22之前，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數，得到的數值作為參考百線值；然後將光學薄膜元件21放入樣品臺22，調整樣品臺22，設定所需的光學薄膜元件21表面入射角度，設定193nm反射光偏振探測裝置的檢偏器狀態，並轉動第一可旋轉支撐臂24使193nm反射光偏振探測裝置探測器的讀數最大； 分別記錄193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數和193nm反射光偏振探測裝置12探測器的讀數，並用193nm反射光偏振探測裝置12探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數，得到的數值再除以前面得到的參考百線值，由此可以確定相應入射角度下，ArF雷射光學薄膜元件的偏振反射率。

變角度偏振透射率測量功能根據光學薄膜元件21的大小，設定第一矩形真空腔體1中的可變光闌6大小；設定起偏器7選擇偏振態，並據此分別設定第三矩形真空腔體 3中193nm參比光偏振探測裝置9的檢偏器狀態，以及第四矩形真空腔體4中193nm透射光偏振探測裝置11的檢偏器狀態；在光學薄膜元件21沒有放入樣品臺22之前，分別記錄 193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數，得到的數值作為參考百線值。然後將光學薄膜元件21放入樣品臺22，調整樣品臺22，設定所需的光學薄膜元件21表面入射角度，並轉動第二可旋轉支撐臂25使193nm 透射光偏振探測裝置探測器的讀數最大；測量記錄193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置11 探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數，得到的數值再除以前面得到的參考百線值，由此可以確定相應入射角度下，ArF雷射光學薄膜元件的偏振透射率。變角度反射退偏度測量功能設定起偏器7的偏振態為P偏振，在光學薄膜元件 21沒有放入樣品臺22之前，分別將193nm參比光偏振探測裝置9和透射光偏振探測裝置 11中的檢偏器同時設置為P偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數和 193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數，得到的數值作為P偏振態參考百線值；然後將193nm參比光偏振探測裝置9和透射光偏振探測裝置11中的檢偏器同時設置為S偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置11探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置9探測器的讀數，得到的數值作為S偏振態參考百線值。將光學薄膜元件 21放入樣品臺22，調整樣品臺，設定所需的光學薄膜元件21表面入射角度，將193nm參比光偏振探測裝置9和193nm反射光偏振探測裝置12中的檢偏器同時設置為P偏振，轉動第一可旋轉支撐臂24使193nm反射光偏振探測裝置12探測器的讀數最大，測得光學薄膜元件的P偏振態反射率Rp ；然後，將193nm參比光偏振探測裝置9和193nm反射光偏振探測裝置12中的檢偏器同時設置為S偏振，測得光學薄膜元件的S偏振態反射率Rs，利用Rp和 Rs計算通過光學薄膜元件後ArF雷射的偏振度，得到光學薄膜元件的P偏振態反射退偏度和光學薄膜元件的S偏振態反射退偏度。上述所有測量功能都包含入射角度掃描功能，即無論是反射測量還是透射測量， 入射角度都可以在5-85°之間進行變化。探測器的選擇
作為ArF雷射探測器，可以選用光電二極體或光電倍增管。光電二極體可以適用於較強的光信號，但是其準確性和穩定性相對較低，相比較而言，光電倍增管適用較弱的光強，但是其準確性和穩定性都比較高，適用於要求較高精度的應用，因此，本發明選用光電倍增管作為探測器。實施例

本發明的光學薄膜元件綜合偏振測量裝置光路原理圖如圖2所示。參閱圖1，為本發明的光學薄膜元件綜合偏振測量裝置結構示意圖，裝置主要包括 ArF準分子雷射器23、真空腔體管路、ArF準分子雷射擴束準直裝置5、193nm偏振光起偏器 7、偏振光探測裝置及數據獲取與控制系統。其中ArF準分子雷射器23、第一矩形真空腔體 1、第二矩形真空腔體2、第三矩形真空腔體3、第四矩形真空腔體4、ArF準分子雷射擴束準直裝置5、光闌6、193nm偏振光起偏器7、分束器8、193nm參比光偏振探測裝置9、旋轉樣品臺22、193nm透射光偏振探測裝置ll、193nm反射光偏振探測裝置12。下面介紹各部件功能與相關參數。ArF準分子雷射器23，用於光譜測試的光源，宜選用低功率，高能量穩定性的產品，在此我們選用相干公司的Indy Star 500-193nm。其輸出光斑大小為6mmX3mm，相應的發散角為2mradxlmrado第一矩形真空腔體1中包含ArF雷射準直擴束裝置5和可變光闌6。ArF雷射準直擴束裝置5包含一片球面鏡和一片柱面鏡，用於將ArF雷射垂直方向的發散角(2mrad) 壓縮到與水平方向的發散角(Imrad) —樣，使ArF雷射的光斑由矩形(6mmX3mm)變成正方形(3mmX3mm)，整個準直擴束裝置的前後工作面距離約為600mm。第二矩形真空腔體2中包含ArF雷射偏振光起偏器和分束器。偏振光起偏器7是一個Rochin偏振稜鏡，其消光比大於105，通過第二矩形真空腔體2外面的控制手柄選擇設定輸出光偏振態為S態或P態。分束器8用於將經過起偏器7後的雷射分成兩束，其中90 度反射的雷射束(參比光)進入第三矩形真空腔體3，直通雷射束(信號光)進入第四矩形真空腔體4。分束器8的偏振反射率和偏振透射率均經過精確標定。第三矩形真空腔體3中包含193nm參比光偏振測量裝置。該裝置包含一個偏振光檢偏器和一個光電倍增管，其中偏振光檢偏器放置在光電倍增管的前端。偏振光檢偏器也是一個Rochin偏振稜鏡，其消光比大於105，在測量過程中，通過第三矩形真空腔體3外面的控制手柄設定偏振光檢偏器的輸出態，選擇與偏振光起偏器相同的偏振態。第四矩形真空腔體4中包含193nm透射光偏振測量裝置11、193nm反射光偏振測量裝置12、以及旋轉樣品臺22。旋轉樣品臺22為圓形平臺，其大小為直徑15cm，在圓形平臺的中心下面的有一個轉軸支撐，轉軸的軸心位於第四矩形真空腔體4中央，入射光經過圓形平臺的中心。圓形平臺是一個精密的轉角定位臺，整個圓形平臺可以通過程序設置、由電機驅動繞軸心在0-360度範圍內旋轉，精度為0. 1度。193nm透射光偏振測量裝置包含一個偏振光檢偏器和一個光電倍增管，其中偏振光檢偏器放置在光電倍增管的前端。偏振光檢偏器也是一個Rochin偏振稜鏡，其消光比大於105，在測量過程中，通過控制手柄設定偏振光檢偏器的輸出態。整個193nm透射光偏振測量裝置11固定安裝在一個可旋轉的第二旋轉支撐臂25上，第二旋轉支撐臂25的一端由一個位於入射光與旋轉樣品臺中心連線後方的轉軸固定在腔體的底板上，整個193nm透射光偏振測量裝置11可以隨第二旋轉支撐臂25繞轉軸、以入射光與旋轉樣品臺22中心連線為中心士90度旋轉，精度0. 1度。193nm 反射光偏振測量裝置12包含一個偏振光檢偏器和一個光電倍增管，其中偏振光檢偏器放置在光電倍增管的前端。偏振光檢偏器也是一個Rochin偏振稜鏡，其消光比大於105，在測量過程中，通過控制手柄設定偏振光檢偏器的輸出態。整個193nm反射光偏振測量裝置12 固定安裝在一個可旋轉的第一旋轉支撐臂24上，第一旋轉支撐臂24的一端由一個位於入射光與旋轉樣品臺22中心連線前方的轉軸固定在腔體的底板上，整個193nm反射光偏振測量裝置12可以隨第一旋轉支撐臂24繞轉軸、以入射光線為中心士90度旋轉，精度0. 1度。 第四矩形真空腔體4最上面的密封板上面有一個圓形的開孔，利用一個圓形蓋板密封。通過開啟該蓋板，將光學薄膜元件放入樣品臺22或從樣品臺22上取出。在測量時，先在不放入光學薄膜元件的情況下，由193nm透射光偏振測量裝置11和193nm參比光偏振測量裝置 9測量參考百線值；之後，將光學薄膜元件21放入樣品臺22，通過程序控制轉角定位臺，調整到所需的入射角，然後分別轉動193nm透射光偏振測量裝置11和193nm反射光偏振測量裝置12，測量光學薄膜元件的透射光強度和反射光強度上述所有偏振探測裝置中的檢偏器的偏振透過率均經過精密標定，而光電倍增管均採用在紫外波段具有較高靈敏度的R6872型的光電倍增管。為了降低偏振相應的相關度，選擇端窗型結構。上述所有的矩形真空腔體均採用內表面鍍黑處理的Al材。通過在第一矩形真空腔體1的前端開始通入N2氣，充滿整個腔體管路，並在第三、第四矩形真空腔體3、4上各開一個出氣孔，排出N2氣。在正式測量之前，整個腔體中通N2氣30分鐘以上。
控制系統的軟硬體實現針對ArF雷射光學薄膜元件的光譜偏振度和退偏度測量裝置的特點和功能要求，研製一套基於Iabview編程方法的系統控制和數據獲取的計算機軟體控制系統。該系統界面簡潔，功能清晰，可以實現測量過程中所需的光學薄膜元件定位、探測器定位、探測器數據記錄、及測量數據輸出顯示等功能。整個控制系統的硬體由步進電機驅動器和運動控制卡實現。整個測量裝置中包含樣品平臺、透射光偏振測量裝置、反射光偏振測量裝置等三個裝置的電機驅動運動定位。採用M420型驅動器控制電機和 DMC1000型PCI總線運動控制卡，可以同時實現對上述三個裝置的運動定位。本發明不限於上述實施方式，任何在本發明權利要求1技術方案基礎上作出的技術特徵之間結構的變形形式，如採用不同具體方式與結構的ArF準分子雷射擴束準直裝置、以及通過增加光路轉向元件(如反射鏡或稜鏡等)改變光路方向和裝置整體結構與布局等，都在本發明意圖保護範圍之內。
權利要求
1.一種ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置，其特徵在於包括ArF準分子雷射器03)、ArF準分子雷射擴束準直裝置(5)、可變光闌(6)、起偏器(7)、分束器(8)、樣品臺 Q2)、193nm參比光偏振探測裝置(9)、193nm透射光偏振測量裝置(11)、193nm反射光偏振探測裝置(1 ；ArF準分子雷射器發出的光束經ArF準分子雷射擴束準直裝置(5)擴束準直後照射到可變光闌(6)，再由可變光闌(6)調節光斑大小，然後由起偏器(7)轉變為偏振光後入射到分束器(8) ；193nm參比光偏振探測裝置(9)位於分束器(8)的反射光路上，樣品臺0 位於分束器(8)的透射光路上；193nm透射光偏振測量裝置(11)固定安裝在第一可旋轉支撐臂04)上，193nm反射光偏振探測裝置(1 固定安裝在第二可旋轉支撐臂05)上；樣品臺(22)、第一可旋轉支撐臂04)和第二可旋轉支撐臂05)位於同一平面內並具有同一旋轉中心，且該旋轉中心位於主光軸上。
2.根據權利要求1所述的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置，其特徵在於所述 193nm參比光偏振探測裝置(9)、193nm反射光偏振探測裝置(1 、193nm透射光偏振測量裝置(11)各包含一個檢偏器和一個探測器，檢偏器和探測器準直放置。
3.根據權利要求2所述的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置，其特徵在於所述起偏器(7)採用Rochon稜鏡偏振片；所述檢偏器採用Rochon稜鏡偏振片，探測器採用光電倍增管。
4.根據權利要求1所述的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置，其特徵在於所述 ArF雷射擴束準直裝置( 和可變光闌(6)安裝在第一矩形真空腔體(1)底板上；起偏器 (7)和分束器(8)安裝在第二矩形真空腔體(2)底板上；193nm參比光偏振探測裝置(9)安裝在第三矩形真空腔體⑶底板上；193nm透射光偏振測量裝置(11)、樣品臺02)、193nm 反射光偏振探測裝置(12)安裝在第四矩形真空腔體(4)內部；第一矩形真空腔體(1)沿主光軸方向前後相對開有兩個開口 ；第二矩形真空腔體(2)沿主光軸方向前後相對開有兩個開口，在分束器(8)反射光路方向有一個開口 ；第三矩形真空腔體(3)在分束器(8)反射光路方向有一個開口 ；第四矩形真空腔體(4)在主光軸方向有一個前開口 ；各矩形真空腔體之間採用圓形管路連接；第一矩形真空腔體(1)的前開口用窗片密封，並且該開口的邊上安裝通入N2氣的連接管路；所述第四矩形真空腔體(4)上部的密封板上有一個開口，利用一個帶有密封膠圈的蓋子進行密封。
5.一種使用權利要求1所述的ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置測量光學薄膜元件偏振性能的方法a、變角度偏振反射率測量根據光學薄膜元件的大小，設定可變光闌(6)大小； 將起偏器(7)、193nm參比光偏振探測裝置(9)的檢偏器、193nm透射光偏振探測裝置(11) 的檢偏器設定為同一偏振態；在光學薄膜元件沒有放入樣品臺0 之前，分別記錄 193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數，得到的數值作為參考百線值；然後將光學薄膜元件置於樣品臺02)上，調整樣品臺(22)，設定所需的光學薄膜元件表面入射角度，設定193nm反射光偏振探測裝置(1 的檢偏器偏振態，使其與起偏器(7)相同；轉動第一可旋轉支撐臂 (24)使193nm反射光偏振探測裝置(12)探測器的讀數最大；分別記錄193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm反射光偏振探測裝置(12)探測器的讀數，並用193nm反射光偏振探測裝置(12)探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數，得到的數值再除以前面得到的參考百線值，得到相應入射角度下光學薄膜元件的偏振反射率；b、變角度偏振透射率測量根據光學薄膜元件的大小，設定可變光闌(6)大小； 將起偏器(7)、193nm參比光偏振探測裝置(9)的檢偏器、193nm透射光偏振探測裝置(11) 的檢偏器設定為同一偏振態；在光學薄膜元件沒有放入樣品臺0 之前，分別記錄 193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數，得到的數值作為參考百線值；然後將光學薄膜元件放入樣品臺 (22)，調整樣品臺(22)，設定所需的光學薄膜元件入射角度；轉動第二可旋轉支撐臂 (25)使193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數最大；測量記錄193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數， 得到的數值再除以前面得到的參考百線值，得到相應入射角度下，光學薄膜元件的偏振透射率；c、變角度反射退偏度測量設定起偏器(7)的偏振態為P偏振，在光學薄膜元件沒有放入樣品臺0 之前，將193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm透射光偏振探測裝置(11)中的檢偏器同時設置為P偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置 (11)探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數，得到的數值作為P 偏振態參考百線值；然後將193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm透射光偏振探測裝置 (11)中的檢偏器同時設置為S偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置(11) 探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數，得到的數值作為S偏振態參考百線值；將光學薄膜元件放入樣品臺(22)，調整樣品臺(22)，設定所需的光學薄膜元件表面入射角度，將193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm反射光偏振探測裝置(12)中的檢偏器同時設置為P偏振，轉動第一可旋轉支撐臂04)使193nm反射光偏振探測裝置(12)探測器的讀數最大，測得光學薄膜元件的P偏振態反射率Rp ；然後， 將193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm反射光偏振探測裝置(12)中的檢偏器同時設置為S偏振，測得光學薄膜元件的S偏振態反射率Rs，利用Rp和Rs計算通過光學薄膜元件後ArF雷射的偏振度，得到光學薄膜元件的P偏振態反射退偏度和光學薄膜元件的S偏振態反射退偏度；d、變角度透射退偏度測量設定起偏器(7)的偏振態為P偏振，在光學薄膜元件沒有放入樣品臺0 之前，將193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm透射光偏振探測裝置(11)中的檢偏器同時設置為P偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置 (11)探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數，得到的數值作為P 偏振態參考百線值；然後將193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm透射光偏振探測裝置 (11)中的檢偏器同時設置為S偏振，分別記錄193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數和193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數，並用193nm透射光偏振探測裝置(11) 探測器的讀數除以193nm參比光偏振探測裝置(9)探測器的讀數，得到的數值作為S偏振態參考百線值；將光學薄膜元件放入樣品臺(22)，調整樣品臺(22)，設定所需的光學薄膜元件表面入射角度，將193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm透射射光偏振探測裝置(11)中的檢偏器同時設置為P偏振，轉動第二可旋轉支撐臂05)使193nm透射光偏振探測裝置(11)探測器的讀數最大，測得光學薄膜元件的P偏振態透射率Tp;將 193nm參比光偏振探測裝置(9)和193nm透射射光偏振探測裝置(11)中的檢偏器同時設置為S偏振，測得光學薄膜元件的S偏振態透射率Ts，利用Tp和Ts計算通過光學薄膜元件後ArF雷射的偏振度，得到光學薄膜元件的P偏振態透射退偏度和光學薄膜元件的S偏振態透射退偏度。
全文摘要
本發明涉及一種ArF雷射光學薄膜元件綜合偏振測量裝置，該裝置的ArF準分子雷射器、ArF準分子雷射擴束準直裝置、可變光闌、起偏器、分束器、樣品臺沿主光軸順序放置；參比光偏振探測裝置位於分束器的反射光路上，樣品臺位於分束器的透射光路上；透射光偏振測量裝置固定安裝在第一可旋轉支撐臂上，反射光偏振探測裝置固定安裝在第二可旋轉支撐臂上；樣品臺、第一可旋轉支撐臂和第二可旋轉支撐臂位於同一平面內並具有同一旋轉中心，且該旋轉中心位於主光軸上。本發明可以同時測量不同形狀的光學薄膜元件在不同入射角時的偏振反射率、透射率、反射退偏度和透射退偏度，從而最大限度滿足各種ArF雷射光學薄膜元件偏振性能評價的需要。
文檔編號G01M11/02GK102435418SQ20111027281
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者鄧文淵, 金春水, 靳京城 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所