專利名稱：衍射光學(xué)元件光學(xué)性能的測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于微光刻領(lǐng)域,特別是一種衍射光學(xué)元件(Diffractive OpticalElements)光學(xué)性能的測量裝置及測量方法，特別是涉及一種用于投影光刻照明系統(tǒng)中產(chǎn)生離軸照明模式的衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
投影光刻機(jī)是當(dāng)今技術(shù)最為密集、精度要求最高的一種大規(guī)模集成電路制造裝備，獲得各種復(fù)雜光瞳光強(qiáng)分布與極高光強(qiáng)均勻性的照明技術(shù)及接近零像差的光學(xué)成像技術(shù)是其核心技術(shù)。為了滿足光刻圖形特征尺寸不斷縮小和實(shí)現(xiàn)特殊圖形曝光的要求，人們發(fā)展了多種光刻分辨力增強(qiáng)技術(shù)，使光刻技術(shù)的生命力不斷得到延伸。而通過光瞳整形技 術(shù)獲得的離軸照明是光刻機(jī)中最常用有效的一種分辨力增強(qiáng)技術(shù)。光刻機(jī)需要針對不同的掩模結(jié)構(gòu)采用不同的離軸照明模式，以增強(qiáng)光刻分辨力、增大焦深、提高成像對比度，從而得到更好的成像性能。而這些照明模式就是通過光瞳整形技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。光瞳整形技術(shù)是指在光刻照明系統(tǒng)中采用特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)元件調(diào)制入射激光束的強(qiáng)度或位相分布，從而在光瞳面上得到所需要的特定光強(qiáng)分布。光瞳整形主要是通過衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的。隨著光刻圖形特征尺寸不斷減小，對投影光刻機(jī)照明系統(tǒng)光瞳光強(qiáng)分布的要求越來越高，對衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能的要求也越來越高，因此對衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能進(jìn)行準(zhǔn)確測量尤其重要。在先技術(shù)“衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性測定方法及衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性測定裝置”(CN 101553721B)中，公開了一種衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性測定方法及其測定裝置，其原理是通過測量由衍射光學(xué)元件形成的衍射光斑的強(qiáng)度分布來評價衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性。該技術(shù)通過距離變更部件改變CCD和衍射光學(xué)元件的距離實(shí)現(xiàn)了光軸方向的強(qiáng)度分布測量和垂直于光軸的面內(nèi)強(qiáng)度分布測量，但是卻無法同時測量衍射光學(xué)元件的能量利用率、零級衍射效率、高階衍射效率等重要指標(biāo)，因此該技術(shù)無法對衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能進(jìn)行全面的評價。另外，當(dāng)零級衍射光斑強(qiáng)度過大、衍射圖樣上強(qiáng)度比值過大時，用圖像處理的方法計(jì)算的衍射效率不準(zhǔn)確，因此需要采取一定的方法直接對能量進(jìn)行監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于投影光刻機(jī)照明系統(tǒng)的衍射光學(xué)元件光學(xué)性能的測量裝置及測量方法，從而準(zhǔn)確地評價衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能。在描述本發(fā)明的技術(shù)解決方案之前，為便于本發(fā)明的描述和理解，對本發(fā)明涉及的幾個基本概念我們定義如下I、用于投影光刻機(jī)照明系統(tǒng)的衍射光學(xué)元件(本發(fā)明簡稱為衍射光學(xué)元件)具有多種結(jié)構(gòu)，但總的說來，衍射光學(xué)元件產(chǎn)生的遠(yuǎn)場衍射圖樣包含三個區(qū)域零級衍射區(qū)域、衍射圖樣區(qū)域和高階衍射區(qū)域，如圖3所示，圖中的小圓和大圓是輔助線，區(qū)域6為小圓包含的圓形區(qū)域，恰好包含零級衍射光斑，稱為零級衍射區(qū)域；區(qū)域7為小圓與大圓包含的環(huán)形區(qū)域，恰好包含衍射圖樣，稱為衍射圖樣區(qū)域；區(qū)域8為大圓以外的區(qū)域，包含高階衍射圖樣，稱為高階衍射區(qū)域。2、零級衍射效率定義為零級衍射區(qū)域所包含的能量與入射到待測衍射光學(xué)元件上面的能量之比。3、能量利用率定義為衍射圖樣區(qū)域所包含的能量與入射到待測衍射光學(xué)元件上面的能量之比。4、高階衍射效率定義為高階衍射區(qū)域所包含的能量與入射到待測衍射光學(xué)元件上面的能量之比。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種衍射光學(xué)元件光學(xué)性能的測量裝置，特點(diǎn)在于該裝置包括照明單元、能量監(jiān)測單元、待測衍射光學(xué)元件固定支架、衍射圖樣測量單元和能量利用率測量單元所述的照明單元包括準(zhǔn)分子激光器、擴(kuò)束鏡和光闌；所述的能量監(jiān)測單元由第一分光鏡和第一激光功率計(jì)組成；所述的衍射圖樣測量單元由第二分光鏡、第一傅里葉變換透鏡、衰減片和CXD圖像傳感器構(gòu)成；所述的能量利用率測量單元包括平面反射鏡、第二傅里葉變換透鏡、光闌插口和第二激光功率計(jì)，所述的光闌插口供光闌設(shè)置，使光闌位于所述的第二傅里葉變換透鏡的后焦面上；所述的待測衍射光學(xué)元件固定支架是一個供待測衍射光學(xué)元件設(shè)置固定的支架；上述元部件的位置關(guān)系如下沿所述的準(zhǔn)分子激光器輸出激光的前進(jìn)方向，依次是所述的擴(kuò)束鏡、光闌、第一分光鏡、待測衍射光學(xué)元件、第二分光鏡、第一傅里葉變換透鏡、衰減片和CCD圖像傳感器，在所述的第一分光鏡的反射光方向是所述的第一激光功率計(jì)，在所述的第二分光鏡的反射光方向是平面反射鏡，在該平面反射鏡的反射光方向依次是所述的第二傅里葉變換透鏡、光闌插口和第二激光功率計(jì)； 所述的第二傅里葉變換透鏡與所述的第一傅里葉變換透鏡相同，所述的第一傅里葉變換透鏡的前焦面和第二傅里葉變換透鏡的前焦面與所述的待測衍射光學(xué)元件共平面，所述的CCD圖像傳感器放置在所述的第一傅里葉變換透鏡的后焦面上；所述的光闌插口置于第二傅里葉變換透鏡的后焦面上，所述的第二激光功率計(jì)緊靠在所述的光闌插口之后；所述的第一傅里葉變換透鏡的焦距f由CXD圖像傳感器敏感面的寬度w和待測衍射光學(xué)兀件遠(yuǎn)場發(fā)射角9按下式確定/ < T-T
2sinc/所述的第一傅里葉變換透鏡的通光孔徑D由待測衍射光學(xué)元件的有效區(qū)域尺寸LXL及待測衍射光學(xué)元件遠(yuǎn)場發(fā)射角0由下式確定l)>42L + 2fs\ne,所述的光闌直接固定在所述的擴(kuò)束鏡的鏡筒上。利用上述測量裝置對衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能的測量方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟①把待測衍射光學(xué)元件固定在所述的衍射光學(xué)元件的固定支架上；②啟動所述的準(zhǔn)分子激光器，所述的CCD圖像傳感器進(jìn)行圖像采集，對圖像進(jìn)行分析就可以得到衍射圖樣的強(qiáng)度分布，經(jīng)測量或計(jì)算出零級衍射區(qū)域的尺寸和衍射圖樣區(qū)域的尺寸；③測量零級衍射效率根據(jù)零級衍射區(qū)域的尺寸選擇光闌的通光孔徑的大小使得零級衍射光斑恰好完全通過該光闌的通光孔，插入所述的光闌插口并置于第二傅里葉變換透鏡的后焦面上，此時讀出所述的第一激光功率計(jì)的示數(shù)Pin和所述的第二激光功率計(jì)的示數(shù)Pttout，則零級衍射效率為
2P V0 = p JjlRx\0O%
iyi式中，T為第二傅里葉變換透鏡的透過率，R為光線45°入射時平面反射鏡的反射率，多次測量取其平均值，作為零級衍射效率的最終測量結(jié)果；④測量衍射光斑的能量利用率和高階衍射效率根據(jù)衍射圖樣區(qū)域的尺寸選擇光闌的通光孔徑的大小使所述的衍射圖樣和零級
衍射光斑恰好完全通過該光闌的通光孔，插入所述的光闌插口并置于第二傅里葉變換透鏡
的后焦面上，使零級衍射光斑和衍射圖樣恰好完全通過光闌的通光孔，讀取所述的第一激
光功率計(jì)的示數(shù)Pin和所述的第二激光功率計(jì)的示數(shù)Pltjut，則零級衍射光斑和待測的衍射圖
樣的總衍射效率\為
2 P
in多次測量取其平均值冗，則待測衍射光學(xué)元件的能量利用率^為&=$-&，和高階衍射效率％為=1-%。本裝置中所述的所有光學(xué)元件均采用熔石英或氟化鈣材料制造，這兩種材料在深紫外波段的透過率高，適用于193nm、248nm等深紫外波長。與在先技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列技術(shù)效果I、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種用于投影光刻機(jī)照明系統(tǒng)的衍射光學(xué)元件衍射圖樣的測量，同時能夠?qū)崿F(xiàn)能量利用率、零級衍射效率、高階衍射效率等重要參數(shù)的測量，測量結(jié)果能真實(shí)全面地反映衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能。2、本發(fā)明利用激光功率計(jì)監(jiān)測入射光功率和待測衍射圖樣的光功率，直接計(jì)算能量利用率和零級衍射效率，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，與利用圖像處理求能量利用率和衍射效率的方法相比，避免了由于零級衍射光斑光強(qiáng)過大、衍射圖樣上強(qiáng)度比值過大引起的測量不準(zhǔn)確的問題。


圖I為本發(fā)明衍射光學(xué)元件測量裝置的光路示意圖。圖2為實(shí)際測量得到的一種衍射光學(xué)元件的衍射圖樣。圖3為待測衍射光學(xué)元件的遠(yuǎn)場衍射圖樣衍射區(qū)域示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請參閱圖1，圖I為本發(fā)明衍射光學(xué)元件測量裝置的光路示意圖，由圖可見，本發(fā)明衍射光學(xué)元件光學(xué)性能的測量裝置，包括照明單元I、能量監(jiān)測單元2、待測衍射光學(xué)元件固定支架3、衍射圖樣測量單元4和能量利用率測量單元5 所述的照明單元I包括準(zhǔn)分子激光器101、擴(kuò)束鏡102和光闌103 ；所述的能量監(jiān)測單元2由第一分光鏡201和第一激光功率計(jì)202組成； 所述的衍射圖樣測量單元4由第二分光鏡401、第一傅里葉變換透鏡402、衰減片403和CXD圖像傳感器404構(gòu)成；所述的能量利用率測量單元5包括平面反射鏡501、第二傅里葉變換透鏡502、光闌插口 503和第二激光功率計(jì)504,所述的光闌插口 503供第二光闌設(shè)置,使第二光闌位于所述的第二傅里葉變換透鏡的后焦面上；所述的待測衍射光學(xué)元件固定支架3是一個供待測衍射光學(xué)元件300設(shè)置固定的支架；上述元部件的位置關(guān)系如下沿所述的準(zhǔn)分子激光器101輸出激光的前進(jìn)方向，依次是所述的擴(kuò)束鏡102、第一光闌103、第一分光鏡201、待測衍射光學(xué)元件300、第二分光鏡401、第一傅里葉變換透鏡402、衰減片403和CXD圖像傳感器404，在所述的第一分光鏡201的反射光方向是所述的第一激光功率計(jì)202，在所述的第二分光鏡401的反射光方向是平面反射鏡501，在該平面反射鏡501的反射光方向依次是所述的第二傅里葉變換透鏡502、光闌插口 503和第二激光功率計(jì)504 ；所述的第二傅里葉變換透鏡502與所述的第一傅里葉變換透鏡402相同，所述的第一傅里葉變換透鏡402的前焦面和第二傅里葉變換透鏡502的前焦面與所述的待測衍射光學(xué)元件300共平面，所述的CXD圖像傳感器404放置在所述的第一傅里葉變換透鏡402的后焦面上；所述的光闌插口 503置于第二傅里葉變換透鏡502的后焦面上，所述的第二激光功率計(jì)504緊靠在所述的第二光闌之后；所述的第一傅里葉變換透鏡402的焦距f由CXD圖像傳感器404敏感面的寬度w和待測衍射光學(xué)元件300遠(yuǎn)場發(fā)射角0按下式確定./' 么—^( I )
2 sm *9所述的第一傅里葉變換透鏡的通光孔徑D由待測衍射光學(xué)元件的有效區(qū)域尺寸LXL及待測衍射光學(xué)元件遠(yuǎn)場發(fā)射角0由下式確定D>42L + 2fs\ne,2)所述的光闌103直接固定在所述的擴(kuò)束鏡102的鏡筒上。利用上述測量裝置對衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能的測量方法，該方法包括下列步驟①把待測衍射光學(xué)元件300固定在所述的衍射光學(xué)元件的固定支架3上；
②啟動所述的準(zhǔn)分子激光器101，所述的CCD圖像傳感器404進(jìn)行圖像采集，對圖像進(jìn)行分析就可以得到衍射圖樣的強(qiáng)度分布，經(jīng)測量或計(jì)算出零級衍射區(qū)域的尺寸和衍射圖樣區(qū)域的尺寸；③測量零級衍射效率根據(jù)零級衍射區(qū)域的尺寸選擇第二光闌的通光孔徑的大小使得零級衍射光斑恰好完全通過該第二光闌的通光孔，插入所述的光闌插口 503并置于第二傅里葉變換透鏡(502)的后焦面上，此時讀出所述的第一激光功率計(jì)的示數(shù)Pin和所述的第二激光功率計(jì)的示數(shù)P_t，則零級衍射效率為
權(quán)利要求
1.一種衍射光學(xué)元件光學(xué)性能的測量裝置，特征在于該裝置包括照明單元(I)、能量監(jiān)測單元(2)、待測衍射光學(xué)元件固定支架(3)、衍射圖樣測量單元(4)和能量利用率測量單元(5) 所述的照明單元(I)包括準(zhǔn)分子激光器(101)、擴(kuò)束鏡(102)和第一光闌(103)； 所述的能量監(jiān)測單元(2)由第一分光鏡(201)和第一激光功率計(jì)(202)組成； 所述的衍射圖樣測量單元(4)由第二分光鏡(401)、第一傅里葉變換透鏡(402)、衰減片(403)和CXD圖像傳感器(404)構(gòu)成； 所述的能量利用率測量單元(5)包括平面反射鏡(501)、第二傅里葉變換透鏡(502)、光闌插口(503)和第二激光功率計(jì)(504)，所述的光闌插口(503)供第二光闌設(shè)置，使光闌位于所述的第二傅里葉變換透鏡的后焦面上； 所述的待測衍射光學(xué)元件固定支架(3)是一個供待測衍射光學(xué)元件(300)設(shè)置固定的支架；· 上述元部件的位置關(guān)系如下 沿所述的準(zhǔn)分子激光器(101)輸出激光的前進(jìn)方向，依次是所述的擴(kuò)束鏡(102)、光闌(103)、第一分光鏡(201)、待測衍射光學(xué)元件(300)、第二分光鏡(401)、第一傅里葉變換透鏡(402)、衰減片(403)和CXD圖像傳感器(404)，在所述的第一分光鏡(201)的反射光方向是所述的第一激光功率計(jì)(202)，在所述的第二分光鏡(401)的反射光方向是平面反射鏡(501)，在該平面反射鏡(501)的反射光方向依次是所述的第二傅里葉變換透鏡(502)、第二光闌和第二激光功率計(jì)(504)； 所述的第二傅里葉變換透鏡(502)與所述的第一傅里葉變換透鏡(402)相同，所述的第一傅里葉變換透鏡(402)的前焦面和第二傅里葉變換透鏡(502)的前焦面與所述的待測衍射光學(xué)元件(300)共平面，所述的CXD圖像傳感器(404)放置在所述的第一傅里葉變換透鏡(402)的后焦面上；所述的光闌插口(503)置于第二傅里葉變換透鏡(502)的后焦面上，所述的第二激光功率計(jì)(504)緊靠在所述的第二光闌之后； 所述的第一傅里葉變換透鏡(402)的焦距f由CXD圖像傳感器(404)敏感面的寬度w和待測衍射光學(xué)元件(300)遠(yuǎn)場發(fā)射角Θ按下式確定 r w f <- Ι χιθ 所述的第一傅里葉變換透鏡的通光孔徑D由待測衍射光學(xué)元件的有效區(qū)域尺寸LXL及待測衍射光學(xué)元件遠(yuǎn)場發(fā)射角Θ由下式確定 I) > V2/. -r IfsmG,,
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的衍射光學(xué)元件光學(xué)性能的測量裝置，其特征在于所述的光闌(103 )直接固定在所述的擴(kuò)束鏡(102 )的鏡筒上。
3.利用權(quán)利要求I所述的測量裝置對衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能的測量方法，其特征在于該方法包括下列步驟 ①把待測衍射光學(xué)元件(300)固定在所述的衍射光學(xué)元件的固定支架(3)上； ②啟動所述的準(zhǔn)分子激光器(101)，所述的C⑶圖像傳感器(404)進(jìn)行圖像采集，對圖像進(jìn)行分析就可以得到衍射圖樣的強(qiáng)度分布，經(jīng)測量或計(jì)算出零級衍射區(qū)域的尺寸和衍射圖樣區(qū)域的尺寸；③測量零級衍射效率 根據(jù)零級衍射區(qū)域的尺寸選擇第二光闌的通光孔徑的大小使得零級衍射光斑恰好完全通過該光闌的通光孔，插入所述的光闌插口(503)并置于第二傅里葉變換透鏡(502)的后焦面上，此時讀出所述的第一激光功率計(jì)的示數(shù)Pin和所述的第二激光功率計(jì)的示數(shù)P_t，則零級衍射效率為 ηα =~_X100% #υ P *廠*尺 式中，T為第二傅里葉變換透鏡的透過率，R為光線45°入射時平面反射鏡(501)的反射率，多次測量取其平均值^，作為零級衍射效率的最終測量結(jié)果； ④測量衍射光斑的能量利用率和高階衍射效率 根據(jù)衍射圖樣區(qū)域的尺寸選擇第二光闌的通光孔徑的大小使所述的衍射圖樣和零級衍射光斑恰好完全通過該光闌的通光孔，插入所述的光闌插口(503)并置于第二傅里葉變換透鏡(502)的后焦面上，使零級衍射光斑和衍射圖樣恰好完全通過第二光闌的通光孔，讀取所述的第一激光功率計(jì)的示數(shù)Pin和所述的第二激光功率計(jì)的示數(shù)Pltjut，則零級衍射光斑和待測的衍射圖樣的總衍射效率H1為 I P H1 =——@^xlOO%， P * 7Γ * Il in 多次測量取其平均值f，則待測衍射光學(xué)元件的能量利用率&為，和高階衍射效率％為 =1- 。
全文摘要
一種用于投影光刻照明系統(tǒng)的衍射光學(xué)元件光學(xué)性能的測量裝置及測量方法，該測量裝置包括照明單元、能量監(jiān)測單元、衍射光學(xué)元件固定支架、衍射圖樣測量單元和能量利用率測量單元。通過測量衍射光學(xué)元件產(chǎn)生的衍射圖樣及各級衍射光斑的能量分布，可準(zhǔn)確地評價衍射光學(xué)元件的光學(xué)性能。本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)對衍射光學(xué)元件產(chǎn)生的遠(yuǎn)場衍射圖樣的直接測量，而且可以實(shí)現(xiàn)對待測衍射光學(xué)元件的能量利用率、零級衍射效率及高階衍射效率的測量。本測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
文檔編號G01M11/02GK102735428SQ20121018919
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月8日
發(fā)明者彭雪峰, 曾愛軍, 朱菁, 楊寶喜, 肖艷芬, 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(jī)械研究所