专利名称：一种光学可变衰减器透过率测量系统及测量方法
技术领域：
本发明涉及光刻机中能量衰减装置的测量技术，特别是一种光学可变衰减器透过率的测量系统及测量方法，属于光刻机中元件检测领域。
背景技术：
光学可变衰减器(Variable Optical Attenuator-VOA)常用在光信息传输领域中，其可以补偿光传输过程中的功率波动并对光功率进行预定量的衰减，使其与光信号接收器的工作范围最佳的匹配，还可以保护光信号接收器以免过高的激光能量带来的损坏。在光能量衰减器的研究中，2001年由中科院上海光机所黄杰等人对基于变角度薄膜原理的光学可变衰减器做了分析研究，实验证明该衰减器具有光束口径大，连续精密可调，高能量负载，输出光束质量高，控制调节方便准确等特点，变角度薄膜光学可变衰减器基于上述优 点，可应用在光刻系统中，其可通过控制入射光束角度，使得出射的光束透过率不同来控制系统光能透过效率，从而使晶片上的曝光剂量满足光刻需求，在光学光刻中起着十分重要的作用。在验证光刻中光学元件性能的测试过程中，通常采用准分子激光器作为光源，但准分子激光器发出的每个紫外激光脉冲均存在着与期望能量相差±15%甚至更多的能量漂移，而且，衬底处的能量计量变化要求控制在±0. 1%或更低，目前，对基于变角度薄膜原理的光学可变衰减器测试方法报道较少，在已有的光学衰减器透过率测量方案中，传统的光学透过率测试装置采用单通道的方法，这也是大多数光学衰减器测试所采用的方法，测试过程分为空测和实测，但在这一过程中易受环境和光源波动的影响，使得测量结果误差较大；2006年长春理工大学董起顺等人提出了基于互相关技术的光学系统检测方法，采用双光路的结构，使用了平行光管，分光镜，斩光器，锁相放大器，积分球，娃光电池等装置，如
图1所示，其原理为斩光盘将平行光管发出的被测的光信号进行调制，并输出一路参考信号，锁相放大器将参考光束与测试光束的光信号与信号发生器输出的响应调制频率的参考信号做互相关运算，去除噪声和干扰信号，提取出相应调制频率的测试光束和参考光束的有用信号再进行运算处理。测试分为空测和实测，最后得到透过率的表达式为T = X R(6)
V1其中R为空测时标定的分光比，Vl为实测时参考光路出射光通量对应的电压值，V2为实测时测试光路出射光通量对应的电压值。但这种方法需要对光信号进行调制和解调，使得系统结构较为复杂，且在准分子激光光源作为系统光源的情况下，发出的激光光束本身为高频率的脉冲光束，不需要信号发生器，锁相放大器等系列器件对激光光束进行调制和解调，所以在这种情况下，采用相关检测的方法去除噪声的影响变得不可行。本发明采用双光路的测量方式，在本发明的光学可变衰减器的测试装置中，除去分光镜分光比的影响，作为会聚光束的两个聚光镜透过率差异和探测器自身内部噪声也对测量结果产生了影响，在光源能量波动比较大的情况且测量精度要求较高的情况下，这种影响不可忽略，为了解决这个问题，采取预先标定两路测试元件透过率差异的方法，首先在光路中移出可变衰减器，对分光镜，聚光镜，滤光片等器件对测量结果的影响进行多次测量；接着将可变衰减器移入光路中，记录测试光路和参考光路的测量结果。在此过程中，均用双光路来消除激光光束由于能量漂移带来的波动性。同时采用多次采样求平均的方法减小测量误差，而且在测试的控制系统中加入了同步电路使得接受曝光信号的光电探测器得以同步工作，提高了测量精度。本发明的测量系统结构比较紧凑，简洁，测试系统也易于操作。由于在光刻机的工作过程中需要不断调节晶片上的曝光剂量，使其满足光刻需求，这就要求对光学可变衰减器的入射角度和透过率关系进行测量，以决定其在使用过程中的衰减量。由于可变衰减器的透过率与光束入射的偏振状态有关，在不同偏振光入射的情况下，由理论计算而得，当光束入射角度增大时，透过率之间的差异也不断增大，因此有必要在测试过程中，对两种不同偏振状态下的透过率分别进行测量。对可变衰减器的透过率测试还包括对其透过率范围，入射角度与透过率关系的测试等。
发明内容
本发明技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种光学可变衰减器透过率的测量系统及测量方法，可应用在工作波长为深紫外波段的光学系统，实现高精度，多功能的检测，由此可大大降低检测成本。本发明技术解决方案一种光学可变衰减器透过率测量系统，包括准分子激光光源1，能量衰减装置2，，偏振片3，半波片4，滤光片5，分光镜6，光学可变衰减器7，第一聚光镜组81和第二光镜组82，第一光束探测单元91和第二光束探测单元92，同步控制电路10，示波器11和计算机12 ;其中，偏振片3和半波片4构成偏振转换装置，第一聚光镜组81和第一聚光镜组82构成光束接收单元，第一光束探测单元91和第二光束探测单元92构成光束探测单元，同步控制电路10，示波器11和计算机12构成数据处理和控制系统；可调准分子激光光源I发出高斯光束到能量衰减装置2，光束经过衰减装置2后入射到偏振转换装置3和半波片4上，经过偏振转换装置3和半波片4后的光束入射到滤光片5上，经过滤光后的光束入射到分光镜6上并被分成两束光束，分别进入测试光路和参考光路中，测试光路的光信号经第一聚光镜组81后进入第一光束探测单元91，产生测试光路曝光量成正比的电信号；参考光路的光信号经第二聚光镜组82后进入第二光束探测单元92，产生与参考光路曝光量成正比的电信号；两路光束探测单元输出的电压信号存储在示波器11中，示波器11显示并记录每次测量的两路透过率数据，最后将测量数据其导入计算机12中进行处理。其中，当激光器开始工作后，发出触发脉冲到同步控制电路10，同步控制电路10接到触发信号后发出指令给第一光束探测单元91和第二光束探测单元92，使其开始同步工作。计算机12中的控制软件可控制待测光学可变衰减器7上轴角编码器的转动，轴角编码器带动可变衰减器7进行转动，可进行不同入射角度时的透过率测量。其中所诉测量系统中，滤光装置为紫外闪耀光栅或紫外滤光片。滤光片5的位置既可放在半波片4与分光镜6之间，也可以放在能量衰减装置2与偏振片3之间。其中所诉测量系统中，光束探测单元为紫外单点光电探测器或紫外光电二极管或带有将紫外光转化为可见光装置的可见光探测器组成，其将测试光路和参考光路的不同的光强信号转化为与之成正比的电压信号。一种光学可变衰减器透过率测量方法，包括，步骤1:准分子激光光源I产生照明光束，经过能量衰减装置2，偏振片3，半波片4后,光束被转换为P光,经滤光片5后入射到分光镜6上,分光镜6将光束一分为二为测试光束和参考光束；步骤2 :给可变衰减器加电，通过计算机12上控制软件将可变衰减器转到与光轴平行的位置，此时光束完全通过，相当于待测光学可变衰减器7移出光路中，步骤I中分光镜6将光束分为两路光束，其反射的第一路光，即为参考光路，通过第一聚光镜组81聚焦到光电探测器91上；分光镜透射的第二路光，即为测试光路，光束通过第二聚光镜组82上聚焦到光电探测器92上，对准光路开始测量，用示波器记录η组参考光路和测试光路的光电探测器输出电压数据，设其分别为 参考光路=V1,V2，V3. ... Vln ;测试光路V/，v，V....Vη 彡 200 ;步骤3 :通过在计算机12上操作控制软件，控制软件发出指令给轴角编码器进行旋转，使得可变衰减器7转动，将可变衰减器7转到与垂直入射光轴方向成10°的位置，此时相当于将可变衰减器7移入光路中，步骤I中分光镜6将光束分为两路光束，其反射的第一路光，即为参考光路，通过第一聚光镜组81聚焦到第二光电探测器91上；分光镜透射的第二路光，即为测试光路，入射光束经过待测光学可变衰减器7后进行衰减，经过衰减后的光束通过第二聚光镜组82聚焦到第二光电探测器92上。对准光路开始测量，用示波器记录在P光入射状态下，入射角为10°时η组测试光路和参考光路输出的电压数据，设其分别为参考光路V22,V22, V23, V24.......V2n；测试光路V21,，v，V，V.......V步骤4 :根据示波器所记录空测时和实测时的两路电压信号，使用计算机12进行数据处理，求解出可变衰减器7在P光入射状态下10°入射角时的透过率。根据移出可变衰减器7 (即空测)时所得到的参考光路和测试光路的测量电压值分别为参考光路Vn，V12,V13, V14, ... Vln ;测试光路V11,，v，V，V,..V1/ ；以参考光路的电压值为横坐标轴，测试光路的电压值为纵坐标轴，在excel中画出XY方向上的散点图，并添加线形趋势线A，对离散点进行线性拟合，当采样点数n>200时，趋势线A周围点波动不大，图线线形度较好，设此线形趋势线A公式为Y1 = Ii1X^b1(7)其中yi为空测时测试光路的电压值的集合，X1为空测时参考光路电压值的集合，k!为此线形趋势线A的斜率，Id1为A在y轴上的截距。插入可变衰减器7 (即实测)，当入射光束与可变衰减器7夹角为10°时所得到的参考光路和测试光路的测量电压值分别为
参考光路V21，V22, V23, V24, ... V2n ;测试光路=V21V 1 V 1 > v22 > v23\J ! \J ! v 24 ，· · v 2n ;
以参考光路的电压值为横坐标轴，测试光路的电压值为纵坐标轴，在excel中画出XY方向上的散点图，并添加线形趋势线B，对离散点进行线性拟合，设此线形趋势线B公式为
y2 =k2x2+b2(8)
其中y2为实测时测试光路的电压值的集合，χ2为实测时参考光路电压值的集合，k2为此线形趋势线B的斜率，b2为B在y轴上的截距。
将空测时参考光路所得电压值分别代入公式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 — 将(3)式和(4)式中对应项值相除，即
权利要求
1.一种光学可变衰减器透过率测量系统，其特征在于包括准分子激光光源(I)、能量衰减装置(2)、偏振片(3)、半波片(4)、滤光片(5)、分光镜(6)、光学可变衰减器(7)、第一聚光镜组(81)和第二光镜组(82)、第一光束探测单元(91)和第二光束探测单元(92)、同步控制电路(10)、示波器(11)和计算机(12);其中，偏振片(3)和半波片(4)构成偏振转换装置，第一聚光镜组(81)和第一聚光镜组(82)构成光束接收单元，第一光束探测单元(91)和第二光束探测单元(92)构成光束探测单元，同步控制电路(10)、示波器(11)和计算机(12)构成数据处理和控制系统；准分子激光光源(I)发出高斯光束到能量衰减装置(2)，光束经过衰减装置(2 )后入射到偏振转换装置(3 )和半波片(4 )上，经过偏振转换装置(3 )和半波片(4)后的光束入射到滤光片(5)上，经过滤光后的光束入射到分光镜(6)上并被分成两束光束，分别进入测试光路和参考光路中，测试光路的光信号经第一聚光镜组(81)后进入第一光束探测单元(91)，产生测试光路曝光量成正比的电信号；参考光路的光信号经第二聚光镜组(82)后进入第二光束探测单元(920，产生与参考光路曝光量成正比的电信号；两路光束探测单元输出的电压信号存储在示波器(11)中，示波器(11)显示并记录每次测量的两路电压信号数据，最后将测量数据其导入计算机(12)中进行处理；其中，当准分子激光光源(I)开始工作后，发出触发脉冲到同步控制电路(10)，同步控制电路(10)接到触发信号后发出指令给第一光束探测单元(91)和第二光束探测单元(92)，使其开始同步工作；计算机(12)中控制待测光学可变衰减器(7)上轴角编码器的转动，轴角编码器通过机械结构带动可变衰减器(7 )进行转动，可进行不同入射角度时的透过率测量。
2.如权利要求1所述的一种光学可变衰减器透过率测量系统，其特征在于所述步骤I中，所述滤光片(5)为紫外闪耀光栅或紫外滤光片；滤光片(5)的位置既可放在半波片(4)与分光镜(6)之间，也可以放在能量衰减装置2与偏振片3之间。
3.如权利要求1所述的一种光学可变衰减器透过率测量系统，其特征在于所述步骤I中，所述光束探测单元(91)和(92 )为紫外单点光电探测器或紫外光电二极管或带有将紫外光转化为可见光装置的可见光探测器组成，其将测试光路和参考光路的不同的光强信号转化为与之成正比的电压信号。
4.一种利用权利要求1所述的光学可变衰减器测量系统进行透过率测量的方法，其特征在于实现步骤如下 步骤1:准分子激光光源(I)产生照明光束，经过能量衰减装置(2)、偏振片(3)、半波片(4)后,光束被转换为P光,经滤光片(5)后入射到分光镜(6)上,分光镜(6)将光束一分为二为测试光束和参考光束； 步骤2 :给可变衰减器加电，通过计算机(12)将可变衰减器转到与光轴平行的位置，此时光束完全通过，相当于待测光学可变衰减器(7)移出光路中，步骤I中分光镜(6)将光束分为两路光束，其反射的第一路光，即为参考光路，通过第一聚光镜组(81)聚焦到第一光电探测器(91)上；分光镜(6)透射的第二路光，即为测试光路，光束通过第二聚光镜组(82)上聚焦到第二光电探测器(92)上，对准光路开始测量，用示波器记录n组参考光路和测试光路的光电探测器输出电压数据，分别为 参考光路=V1, V2, V3. . . . Vln ； 测试光路V/，V，V ....V1/ n ^ 200 ； 步骤3 :通过在计算机(12)发出指令给轴角编码器进行旋转，使得可变衰减器(7)转动，将可变衰减器(7)转到与垂直入射光轴方向成10°的位置，此时相当于将可变衰减器(7)移入光路中，步骤I中分光镜(6)将光束分为两路光束，其反射的第一路光，即为参考光路，通过第一聚光镜组(81)聚焦到第二光电探测器(91)上；分光镜透射的第二路光，即为测试光路，入射光束经过待测光学可变衰减器(7 )后进行衰减，经过衰减后的光束通过第二聚光镜组82聚焦到第二光电探测器(92)上；对准光路开始测量，用示波器记录在P光入射状态下入射角为10°时n组测试光路和参考光路输出的电压数据，分别为 参考光路v22，V22, V23, V24.......V2n; 测试光路v2/，v，V，v .......V ； 步骤4:根据示波器(11)所记录空测时和实测时的两路电压信号，使用计算机(12)进行数据处理，求解出可变衰减器(7)在P光入射状态下10°入射角时的透过率； 根据移出可变衰减器7，即空测时所得到的参考光路和测试光路的测量电压值分别为参考光路Vn，V12，V13, V14,... Vln ； 测试光路=V1/，v，V，V，..v ； 以参考光路的电压值为横坐标轴，测试光路的电压值为纵坐标轴，在excel中画出XY方向上的散点图，并添加线形趋势线A，对离散点进行线性拟合，当采样点数n>200时，趋势线A周围点波动不大，图线线形度较好，设此线形趋势线A公式为 Y1 = kiXj+bj(I) 其中Y1为空测时测试光路的电压值的集合，X1为空测时参考光路电压值的集合，k:为此线形趋势线A的斜率，Id1为A在y轴上的截距； 插入可变衰减器(7)，即实测，当入射光束与可变衰减器(7)夹角为10°时所得到的参考光路和测试光路的测量电压值分别为参考光路V21，V22, V23, V24,... V2n ; 测试光路v2/，v，V，v，..V ； 以参考光路的电压值为横坐标轴，测试光路的电压值为纵坐标轴，在excel中画出XY方向上的散点图，并添加线形趋势线B，对离散点进行线性拟合，设此线形趋势线B公式为12 — k2x2+b2(2) 其中y2为实测时测试光路的电压值的集合，X2为实测时参考光路电压值的集合，k2为此线形趋势线B的斜率，b2为B在y轴上的截距； 将空测时参考光路所得电压值分别代入公式I和公式2中，得到
5.如权利要求4所述的光学可变衰减器透过率的测量方法，其特征在于所述步骤2中，测试光路和参考光路的光电探测单元要求同步工作。
6.如权利要求4所述的光学可变衰减器透过率的测量方法，其特征于所述步骤2-3中，可在计算机12上通过控制软件控制是否给可变衰减器(7)复位来使其移入和移出光路，复位时，可变衰减器的衰减片与补偿片与入射光光轴平行，相当于将可变衰减器(7)移出光路；当给出轴角编码器偏移范围让其旋转时，可变衰减器(7)与入射光束成一定夹角，相当于将其移入光路。
7.如权利要求4所述的光学可变衰减器透过率的测量方法，其特征在于所述步骤4中对两组离散数据值也可进行其他方式的拟合，包括最小二乘拟合或基于多项式的拟合。
8.如权利要求4所述的光学可变衰减器透过率的测量方法，其特征在于步骤4中，也可以将实测时参考光路所得电压值分别代入公式I和公式2中，得到对应的yln和y2n值，将对应项相除，再进行计算。
全文摘要
一种光学可变衰减器透过率测量系统及测量方法，用分光镜将准分子激光光源的光束分为测试光路和参考光路；将可变衰减器移出光路中，记录空测时两个通道的测量数据；将可变衰减器移入光路中，记录实测时两个通道的测量数据；将空测和实测时的测量数据进行处理,计算出可变衰减器的透过率。本发明用该方法测量光学可变衰减器随入射角度变化的透过率，具有较高的测量精度和测量多功能性。
文档编号G01M11/02GK103018011SQ20121049992
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者邢莎莎, 廖志杰, 林妩媚 申请人:中国科学院光电技术研究所
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