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专利名称：一种汞灯灯室的光学特性测试装置及其测试方法
技术领域：
本发明属于光学测量装置领域，具体涉及一种汞灯灯室的光学特性测试 装置及其测试方法。
背景技术：
光刻法(亦称微光刻法)用于制造半导体器件，光刻法使用不同波段的 光波，如紫外、深紫外、或可见光，在硅片上投影产生精细的光刻图案，进 一步通过刻蚀等工艺方法在硅片上形成精细特征图案，因此，光刻法是半导 体器件生产的关键环节。光刻法使用的光源除了准直激光器外，还有短弧汞 灯，因此汞灯灯室的光学特性参数对光刻机中的照明分系统的装配与调试是 十分重要的。其中汞灯灯室的光学特性参数包括数值孔径、焦距、焦点功率、 焦点光强分布四个，能够精确测得所述的汞灯灯室光学参数，有利于在光刻 机集成阶段顺利展开照明分系统的调试。
目前，绝大多数用于光刻机汞灯灯室的结构形式如图l所示，汞灯l的
短弧位于椭球反射镜的第一焦点Fl，椭球反射镜2将汞灯发出的光会聚于第 二焦点F2 , F卩一般是照明分系统与灯室的接口。通常，汞灯灯室具有如下 特殊性(l)测试的光学参数必须是在汞灯开启时才有意义；(2)汞灯一般只 开启一次，长期点亮，第二次开启汞灯性能会急剧下降；(3)汞灯功率大，可 达数千瓦特；(4)汞灯的发光电弧虽然可以看作是点光源，但由于椭球反射镜 轴向放大缘故，第二焦点处不再是点光源。根据汞灯的光学特性，汞灯的光学参数测试装置一^:要求适应开灯测试、大功率以及非点光源的测试条件， 因此汞灯的光学参数测试比一般的光学测试难度大，如果利用常规的光学测 试方法及其装置，无法完成测试。本专利提出一种能够用来测试汞灯灯室光 学特性的焦距、焦点功率、焦点光强分布三种光学参数的测试装置。

发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够适应开灯测试、大功率、非点 光源测试条件的汞灯灯室光学特性参数测试装置，并提出实现汞灯灯室的焦 距、焦点功率、焦点光强等光学参数的测试方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种测试装置，用于汞灯灯室数值孔 径、焦距、焦点功率、焦点光强分布四个光学特性参数测试，测试装置包括 外壳，依顺序置于外壳里面的小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚 光镜和四象限探测器，以及固定于置外壳中的准直激光器；第一聚光镜与第 二聚光镜平行放置，第 一聚光镜的中心与第二聚光镜的中心之间的连线定位 为测试装置的光轴，所述光轴垂直于第一聚光镜与第二聚光镜；第一衰减片 置于第一聚光镜与第二聚光镜之间，第一衰减片与第一聚光镜面、第二聚光 镜面之间的夹角均为45度；准直激光器垂直于测试装置的光轴，准直激光器 的激光投射直线、衰减片以及测试装置的光轴三者交于一点；四象限探测器 垂直于测试装置的光轴，四象限#:测器的中心定位于测试装置的光轴；小孔 光阑垂直于所述光轴，小孔光阑的中心定位于测试装置的光轴。
作为较佳技术方案，所述测试装置还包括用于探测从小孔光阑透射过来 的圆形光斑的边沿光线的刀片；所述刀片置于外壳上并定位于小孔光阑与第 一聚光镜之间；所述刀片包括上刀片和下刀片，上刀片和下刀片都垂直于所述光轴并且都可以沿所述测试装置的光轴的垂直方向移动，上刀片和下刀片 均带有用来记录垂直方向移动距离的刻度装置；所述上刀片的下刀刃和下刀
片的上刀刃均为向内圓弧状。
才艮据本发明所提供的汞灯灯室的光学特性测试装置，其中，所述测试装 置还包括置于第二聚光镜和四象限探测器之间的第二衰减片。所述第二衰减 片垂直于所述光轴，第二衰减片的中心定位于测试装置的光轴。
根据本发明所提供的汞灯灯室的光学特性测试装置，其中，所述四象限 #:测器可以沿所述测试装置的光轴方向平行移动。所述四象限探测器还包括 可以遮拦在四象限探测器上的遮拦片。所迷第一聚光镜与第二聚光镜的直径 相同，第一聚光镜与第二聚光镜的光学参数相同。
根据本发明提供的汞灯灯室光学特性参数测试装置提出的一种测试测试 汞灯灯室的光学参数的方法，包括步骤
(1) 提供用于空间定位所述测试装置的定位装置以及汞灯灯室，测试装 置固定于定位装置之上，调整定位装置，使测试装置的光轴与汞灯灯室的光
轴重合；
(2) 通过定位装置，使测试装置沿光轴移动，探测处最大光强处即为汞 灯灯室的第二焦点，计算得出汞灯灯室的焦距参数；
(3) 选择第二焦点处汞灯灯室的光线能量能通过小孔的小孔光阑装于测 试装置并置于汞灯灯室的第二焦点处，将四象限探测器置于第二位置，四象 限#:测器探测出从汞灯灯室发出的、依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一 衰减片、第二聚光镜后的光线的总功率，通过总功率值除以衰减率得出焦点 功率；通过不同形状的遮拦片实现对四象限探测器不同区域的光线遮拦，测 出不同区域的焦点光强分布；其中，所述第二位置为光线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减 片、第二聚光镜后投影到第四象限探测器后光线发生聚焦的位置。
作为较佳技术方案，在步骤(3)之后还包括步骤(4)通过定位装置， 使测试装置的小孔光阑置于汞灯灯室的第二焦点处，将四象限探测器置于第 一位置，调整垂直于光轴的、与小孔光阑平面距离为L的上刀片和下刀片， 当四象限探测器接收到探测到能量减少时，停止调整上刀片和下刀片，进一 步测出上刀片和下刀片之间的距离D，根据公式计算得出数值孔径参数；
根据本发明所提供的测试汞灯灯室的光学特性的方法，其中，所述第一 位置也可以为边缘光线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二 聚光镜、第二衰减片后投影到第四象限探测器后边缘光线不发生交叉的位置， 所述第二位置也可以为光线依次经过小孔光阑、第一聚光#;、第一衰减片、 第二聚光镜、第二衰减片后投影到第四象P艮探测器后光线发生聚焦的位置。
本发明的技术效果是汞灯灯室的第二焦点的光线依次通过测试装置的 小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜、第二衰减片，投射于四 象限探测器；由于衰减片的能实现对光线强度的衰减作用，使测试装置适合
大功率的汞灯灯室的测试；通过小孔光阑的孔径的变化以及四象限^:测器的 位置变化，使测试装置适合非点光源的汞灯灯室的测试；同时装置适合于汞 灯灯室开灯测试。通过本发明所提供测试装置，并将测试装置置于带有尺寸 刻度的导轨和在导轨上滑动的三维移动台的定位装置上，可以实现对汞灯灯 室的焦距、焦点功率、焦点光强分布三个光学特性参数测试，并在进一步的 较佳技术方案中，进一步可通过置于外壳上并定位于小孔光阑与第一聚光镜 之间的刀片探测从小孔光阑发射过来的圆形光斑的边沿光线，实现对汞灯灯 室的数值孔径光学特性参数测试。


图l是汞灯灯室结构示意图2是本发明实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结构图； 图3是本发明又一实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结构图； 图4是本实施例测试装置测试汞灯灯室光学特性时所应用的定位装置图； 图5是本实施例汞灯灯室的光学特性测试装置的光轴与灯室的光轴对准 示意图6是汞灯灯室的第一焦点Fl和第二焦点F2的光强分布； 图7是本实施例测试装置测试汞灯灯室的焦点功率和焦点光强分布示意 图8是系列遮拦片示意图9是本实施例测试装置测试汞灯灯室的数值孔径示意图； 图IO是刀片形状示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明 作进一步的详细描述。
图2所示为本发明实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结构 图，这种测试装置用来测试汞灯灯室的数值孔径、焦距、焦点功率、焦点光 强分布四种光学参数。如图2所示，汞灯灯室的光学特性测试装置包括外壳9， 依次顺序置于外壳里面的小孔光阑10、第一聚光镜ll、第一衰减片13、第二 聚光镜12、第二衰减片14和四象限探测器17,以及固定于外壳中的准直激光器18。其中，第一聚光镜ll与第二聚光镜12平行放置，第一聚光镜ll的
中心与第二聚光镜12的中心之间的连线定位为汞灯灯室的光学特性测试测试 装置的光轴，所述光轴垂直于第一聚光镜11与第二聚光镜12，第一聚光镜 11和第二聚光镜12可以为双凸面凸镜也可以为单凸面凸镜，本实施例优选为 单凸面聚光镜，并且两者的凸面相对放置，第一聚光镜11与第二聚光镜l2 具有相同的直径及光学参数，两者之间的间距由聚光镜11和12的光学参数 决定，经过小孔光阑的光线再经过第一聚光镜11与第二聚光镜12后，能实 现光线在一定范围集聚。第一衰减片13与第一聚光镜面11和第二聚光镜12 之间夹角均为45度，第一衰减片13的中心定位于测试装置的光轴。准直激 光器18垂直于测试装置的光轴定位于外壳9中，准直激光器18的激光投射 直线能恰好对准第一衰减片13的中心，因此准直激光器18的激光投射直线、 衰减片13以及测试装置的光轴三者交于一点。第二衰减片14与测试装置的 光轴垂直，其中心定位于测试装置的光轴，笫一衰减片13和第二衰减片14 均用来对光线衰减，从而使本装置适用于大功率的汞灯灯室的光学特性测试。 四象限^:测器与测试装置的光轴垂直，并且四象限纟笨测器17的中心定位于测 试装置的光轴，经过第一聚光镜11和第二聚光镜12的光线4殳射于四象P艮探 测器17上，四象限^:测器17可以沿测试装置的光轴的方向移动，本实施例 中四象限4笨测器17优选》文置于如图2所示中的位置一 15或位置二 16,四象 限探测器17放置于位置二 16时，经过第一聚光镜11和第二聚光镜12的光 线成像于四象限探测器17上，位置二 16为成像位置，四象限探测器17放置 于位置一 15时，经过第一聚光镜11的上下边沿光线投影于四象限探测器17 上不会发生交叉。四象限探测器17还包括可以用来放置于四象限探测器上的 遮拦片(图中未示出)，用来定义四象限探测器接受光线投射的区域，根据不同投射区域的需要，可以选择不同形状的遮拦片。小孔光阑10垂直于测试装 置的光轴，小孔光阑10的中心定位于测试装置的光轴，根据测试需要，可以
更换不同孔径的小孔光阑10。
图3所示为本发明又一实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结 构图。结合2和图3所示，图3实施例相对图2实施例的主要区别在于测 试装置还包括置于外壳上并定位于小孔光阑10与第一聚光4竟11之间的上刀 片19、下刀片20。上刀片19和下刀片20具有相同形状和尺寸参数，上刀片 19和下刀片20上下对称装于外壳9上，都垂直于测试装置的光轴，上刀片 19和下刀片20可沿垂直于测试装置的光轴方向移动，并可通过刀片上的刻度 装置记录移动的距离，所述上刀片的下刀刃和下刀片的上刀刃均为向内圆弧 状。通过上刀片19和下刀片20的上下垂直移动可以才艮据测试需要实现对小 孔光阑10透射过来的圆形光斑的光线的遮拦，结合四象限探测器17上的能 量的变化，因此刀片可以用于探测从小孔光阑IO透射过来的圆形光斑的边沿 光线的刀片。
以下结合图4至图IO具体说明本实施例测试装置的光学特性测试方法。
第一步骤，提供用于空间定位测试装置的定位装置。
图4所示为用本实施例测试装置测试汞灯灯室光学特性时所应用的定位 装置示意图，如图3所示，定位装置包括带有尺寸刻度的导轨4、在导轨上滑 动的三维移动台5，测试装置6固定置于三维移动台5上。其中7是汞灯灯室， 8是汞灯灯室的外壁。通过导轨4和在导轨上滑动的三维移动台5，可实现测 试装置6的空间定位。
第二步骤，调整定位装置，使定位装置上的测试装置的光轴与汞灯灯室 的光轴重合。图5所示为本实施例汞灯灯室的光学特性测试装置的光轴与灯室的光轴 对准示意图。才艮据光学特性测试，为实现准确测量，在所有的测试之前，测
试装置的光轴与灯室的光轴必须对准。本发明装置提供了这一功能，结合图3 和图4所示，光轴对准前，使导轨4的前端与灯室外壁8接触，使导轨大致 与灯室光轴21平行。点亮准直激光器18,准直激光束22射向45度倾斜的衰 减片13，经衰减片13反射后，由于准直激光器18的激光束投射直线、衰减 片13以及测试装置的光轴三者的交点重合，出射的激光束23与测试装置的 光轴24重合，出射的激光束23经过小孔光阑IO后射向灯室的出射窗口玻璃 25。灯室的光轴21垂直于出射窗口，调整三维移动台5使出射的激光束23 打在灯室的出射窗口玻璃25中心并按原路反射形成图4所示反射光束26,反 射光束26通过小孔光阑10、第一聚光镜ll、第一衰减片13、第二聚光镜12、 第二衰减片14,最后投射在四象限纟果测器17上，此时，四象限纟果测器17处 于位置一15。如果四象P艮探测器17的每个象限所探测的功率大体一致，则可 以判断测试装置的光轴24是与灯室的光轴21重合。 第三步骤，测试汞灯灯室的焦距参数。
图6所示为汞灯灯室的第一焦点Fl和第二焦点F2的光强分布。由于汞 灯灯室的椭球反射镜轴向放大的缘故，在Fl近似点光源的汞灯发光电弧成像 到F2后，沿光轴方向的光强分布不再像F1处那样尖锐。在实现装置的光轴 对准以后，更换成小孔直径为0. 1 ~ 0. 5毫米的小孔光阑10,结合图3所示， 汞灯灯室光学特性装置6在导轨4上移动，在F2附近沿光轴进行光强扫描， 探测到最大光强处则为F2位置，从导轨的刻度可读出灯室出射窗到F2的距 离，这段距离即为灯室的焦距，从而实现灯室的焦距测量。
第四步骤，测试汞灯灯室的焦点功率和焦点光强分布。图7所示为本实施例测试装置测试汞灯灯室的焦点功率和焦点光强分布
示意图。如图7所示。首先，更换小孔直径为20毫米的小孔光阑10，小孔光 阑10置于灯室的F2焦点处，四象限^^罙测器17位于位置二 16,此时小孔光阑 10和四象限探测器17的位置是聚光镜11和聚光镜12所组成的成像系统的物 像位置。进一步，小孔光阑20毫米径范围的焦点光斑(基本上集中了焦点F2 的绝大部分能量)经过成像系统缩小成像到四象限探测器17上，探测器探17 测到总的功率再除以成^f象系统的透过率就是汞灯灯室焦点F2的焦点功率。四 个象限探测到的能量差异说明了焦点光强四个区域的分布特性。同时，为获 得更详尽的焦点光强分布情况，可以使用如图8所示的一系列遮拦片遮拦在 四象限探测器上。当遮拦片31遮拦于四象P艮探测器上时，它能遮拦每个象限 的一半，因此使用遮拦片31与不使用遮拦片31的两次四象限探测器17的测 试结果相减，可以得出八个区域的焦点光强分布值。同样，如果想得到十二 个区域的光强值，可以使用遮拦片系列32，遮拦片系列32的每个遮拦片的透 光区域相互之间没有交集，三个遮拦片的透光区域的总和就是四象限探测器 面积，分别单独使用每个遮拦片可以得到每个象限一部分的光强值，因此通 过三次^f吏用遮拦片系列32的不同遮拦片，测试可以得出3 x 4=12个区域的焦 点光强分布。
第五步骤，测试汞灯灯室的数值孔径参数。
图9所述为本实施例测试装置测试汞灯灯室的it值孔径示意图。当测试 汞灯灯室的数值孔径时，首先，更换成小孔直径为0.5-0. l毫米的小孔光阑 (视测试精度要求而定)。结合图4和图9所示，通过调整定位装置的导轨4 的位置，使测试装置的小孔光阑IO位于汞灯灯室的F2焦点处，四象限探测 器位于位置一15，四象限探测器置于位置一时，上边缘光线27、下边缘光线28投影于四象限探测器17上不会发生交叉。上边缘光线27、下边缘光线28
分别投影到四象限探测器的第一象限29和第三象限30。进一步，使上刀片
19垂直于光轴向下移动，上刀片19遮拦到上边缘光线27时，四象限探测器
的第一象限29所探测能量将减少，同样，使下刀片20垂直于光轴向上移动，
下刀片20遮拦到下边缘光线28时，四象限探测器的第三象限30所探测能量
将减少，由此方法，可以确定上边缘光线27与下边缘光线28之间的距离，
从刀片的刻度装置可读出该距离D , L是预先知道的小孔光阑到刀片的距离，
数值孔径可由公式NA=sin (arc tan2)计算得出。为了使四象限^果测器17
2〖
能更灵敏的探测到边缘光线，刀片的与汞灯光线相切的刀刃做成圆弧状，因 为这样刀片能更大范围的与光线边》斜目切。如图IO所示为上刀片的形状示意 图，其中圆 瓜度为下刀刃。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实
施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书 中所述的具体实施例。
权利要求
1.一种汞灯灯室的光学特性测试装置，其特征在于，测试装置包括外壳，依顺序置于外壳里面的小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜和四象限探测器，以及固定于置外壳中的准直激光器；第一聚光镜与第二聚光镜平行放置，第一聚光镜的中心与第二聚光镜的中心之间的连线定位为测试装置的光轴，所述光轴垂直于第一聚光镜与第二聚光镜；第一衰减片置于第一聚光镜与第二聚光镜之间，第一衰减片与第一聚光镜面、第二聚光镜面之间的夹角均为45度；准直激光器垂直于测试装置的光轴，准直激光器的激光投射直线、衰减片以及测试装置的光轴三者交于一点；四象限探测器垂直于测试装置的光轴，四象限探测器的中心定位于测试装置的光轴；小孔光阑垂直于所述光轴，小孔光阑的中心定位于测试装置的光轴。
2. 根据权利要求l所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括用于 探测从小孔光阑透射过来的圓形光斑的边沿光线的刀片。
3. 根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述刀片置于外壳上并定 位于小孔光阑与第 一聚光镜之间。
4. 根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述刀片包括上刀片和下 刀片，上刀片和下刀片都垂直于所述光轴并且都可以沿所述测试装置的光 轴的垂直方向移动，上刀片和下刀片均带有用来记录垂直方向移动距离的 刻度装置。
5. 根据权利要求2或3或4所述的测试装置，其特征在于，所述上刀片的下 刀刃和下刀片的上刀刃均为向内圆弧状。
6. 根据权利要求l所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括置于第二聚光镜和四象限探测器之间的第二衰减片。
7. 根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述第二衰减片垂直于所述光轴，第二衰减片的中心定位于测试装置的光轴。
8. 根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述四象限探测器可以沿 所述测试装置的光轴方向平4于移动。
9. 根据权利要求8所述的测试装置，其特征在于，所述四象限探测器还包括 可以遮拦在四象限探测器上的遮拦片。
10. 根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述第一聚光镜与第二聚 光4竟的直径相同，第一聚光镜与第二聚光镜的光学参数相同。
11. 根据权利要求1所述的测试装置， 一种用于测试汞灯灯室的光学特性测试 方法，其特征在于包括步骤(1) 提供用于空间定位所述测试装置的定位装置以及汞灯灯室，测 试装置固定于定位装置之上，调整定位装置，使测试装置的光轴与汞灯灯 室的光轴重合；(2) 通过定位装置，使测试装置沿光轴移动，探测处最大光强处即 为汞灯灯室的第二焦点，计算得出汞灯灯室的焦距参数；(3) 选择第二焦点处汞灯灯室的光线能量能通过小孔的小孔光阑装 于测试装置并置于汞灯灯室的第二焦点处，将四象限探测器置于第二位 置，四象限探测器探测出从汞灯灯室发出的、依次经过小孔光阑、第一聚 光镜、第一衰减片、第二聚光镜后的光线的总功率，通过总功率值除以衰 减率得出焦点功率；通过不同形状的遮拦片实现对四象限^:测器不同区域 的光线遮拦，测出不同区域的焦点光强分布；其中，所述第二位置为光线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜后^:影到第四象限探测器后光线发生聚焦的位置。
12. 根据权利要求11所述的测试方法，其特征在于，所述第二位置为光线依 次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜、第二衰减片后 投影到第四象限探测器后光线发生聚焦的位置。
13. 根据权利要求11所述的测试方法，其特征在于，在步骤(3)之后还包 括步骤(4)通过定位装置，使测试装置的小孔光阑置于汞灯灯室的第二 焦点处，将四象限纟笨测器置于第一位置，调整垂直于光轴的、与小孔光阑 平面距离为L的上刀片和下刀片，当四象限^:测器接收到^笨测到能量减少 时，停止调整上刀片和下刀片，进一步测出上刀片和下刀片之间的距离D， 根据公式计算得出数值孔径参数；其中，所述第一位置为边缘光线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第 一衰减片、第二聚光镜后投影到第四象限探测器后光线不发生交叉的位 置；
14. 根据权利要求13所述的测试方法，其特征在于，所述第一位置为边缘光 线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜、第二衰减 片后投影到第四象限探测器后边缘光线不发生交叉的位置。
全文摘要
本发明提供一种汞灯灯室的光学特性测试装置及其测试方法，属于光学测量领域。汞灯灯室的光学特性测试装置包括外壳，依次顺序置于外壳里面的小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜和四象限探测器，以及定位于外壳中的刀片和准直激光器。本发明所提供测试装置与常规定位装置的结合使用，可以实现对汞灯灯室焦距、焦点功率、焦点光强分布三个光学特性参数测试。
文档编号G01M11/02GK101576436SQ20081020228
公开日2009年11月11日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者张品翔, 斌 胡, 玲 黄 申请人:上海微电子装备有限公司