一种偏振和双折射测量系统

摘要

本发明提供一种偏振和双折射测量系统，通过采用多波片组合以提高偏振和应力双折射的测量精度，其中，光源模块：包括光源和准直扩束系统，起偏器，待测样品。光信号调制模块：包括多级相差共轴波片、检偏器、步进电机驱动卡，步进电机。数据采集处理模块：包括图像采集卡、光强探测器以及计算机。本发明很好的避免了环境和测量条件变化如空气流动，温度变化以及某些不确定的振动方式带来的影响。该系统使用超过一个独立的位相调制元件来抑制噪声，平均主要误差源。本发明该系统采用三个波片来对偏振和双折射进行测量，很好地避免了由于系统的非线性影响引起的非线性误差，大大提高了测量精度。

权利要求

1.一种偏振和双折射测量系统，该测量系统包括三个模块：光源模块（10）、光信号调制模块（11）和数据采集处理模块（12）；其中：光源模块（10）包括光源（1）、准直扩束系统（2），起偏器（3）和待测样品（4）；光信号调制模块（11）包括多级相差共轴波片（5）和检偏器（6）；数据采集处理模块（12）包括光强探测器（7）、计算机（8）和步进电机（9）；光源（1）发出的光经过准直扩束系统（2）后会聚光束变为远心光束，并入射到起偏器（3），光束经起偏器（3）后变为偏振光，偏振光入射到待测样品（4）上，光束透过待测样品（4）后进入光信号调制模块（11），光束经多级相差共轴波片（5）和检偏器（6）入射到光强探测器（7）上，检偏器（6）与起偏器（3）指标性能匹配；光强探测器（7）获取的光强信息经数据采集卡将数据存入计算机（8），同时计算机（8）通过D/A板给步进电机（9）发送驱动信号以控制步进电机（9）的驱动的起止时间和旋转角度，光强探测器（7）获取不同方位角时的强度信息，其特征在于：多级相差共轴波片（5）是由尺寸不等的多个波片构成的圆盘，多级相差共轴波片（5）由步进电机（9）驱动，通过驱动其旋转实现对光强的调制；通过计算机（8）的运算模块进行偏振和双折射数据参数的运算并储存，步进电机（9）带动多级相差共轴波片（5）旋转，旋转角度值可通过计算机（8）进行控制，利用计算机（8）对获取的强度信息进行处理和数学解析，得到光学材料的偏振和双折射模式和分布。

2.根据权利要求1所述的偏振和双折射测量系统，其特征在于：光源（1）为波长为

193.368nm的ArF激光器。

说明书

一种偏振和双折射测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于现代光学测试技术领域，具体涉及一种偏振和双折射测量系统，其对偏振和双折射分布进行精确测量。

背景技术

[0002] 当光刻投影物镜NA＞0.8时，光束的偏振特性会严重影响成像质量，特别是p偏振会降低成像对比度，影响系统分辨率。另外，偏振光的点扩散函数不对称，光强分布沿着偏振方向扩散。对于线条图形，当偏振方向与线条不平行时，光强透过率较高，有利于成像。因此，根据掩模图形，采用相应的偏振光束配合离轴照明，能进一步提高系统的分辨率和成像质量。

[0003] 同时，增大数值孔径将能够捕获更多的衍射级数和更大角度的光线，这无疑加剧了偏振效应的负面影响。由于大角度光线的互相影响以及干涉效应，导致空间图像对比度被大为削弱。因此光刻设备的光学部件必须使用低双折射的石英材料，因为光学镜头对双折射现象非常敏感而双折射现象又与偏振效应紧密联系。

[0004] 浸没式光刻技术导致数值孔径激增从而引发偏振效应，在193nm ArF浸没式光刻机中不得不使用低双折射的石英材料，因此必须对石英材料中的应力双折射分布进行测量，获取数据代入仿真以保证光刻机的顺利研制。同时193nm ArF的浸没式光刻机中相当部分熔石英透镜尺寸直径上超过300mm，材料的双折射测量采用采样点的测量方式进行，要保证测量精度需要尽可能多的采样点。经过仿真分析，由于材料的双折射效应可能引起4～6nm波像差变化，将严重影响193nm曝光光学系统的性能，所以必须对材料的偏振效应和双折射分布进行精确地测量，然而材料的偏振和双折射模式和分布的快速精确测量在空间和时间上是十分困难的，但对于193nm ArF浸没式光刻机的研制却是必须的。

[0005] 由于波像差质量的可靠性与精密光学成像系统如线宽90纳米的光刻曝光系统息息相关，对于线宽为22纳米甚至16纳米的曝光系统，光刻投影物镜的数值孔径大于1，为了满足高分辨率的要求，波长非常短，例如现在是193纳米，随着波长的缩短，散射的程度相当严重，测量系统的稳定性和测量结果的可重复性是我们面临的一个巨大挑战。所以，发展一种具有更高精度、更稳定、具有更高可重复性的偏振双折射测量系统才能满足工程研究领域的需求。

[0006] 综上所述，必须探索一种新的偏振和双折射测定方法，建立一套能对材料的偏振效应和双折射分布进行精确测量的系统，即偏振和双折射多级相差共轴旋转精密测量系统，对光刻曝光系统中材料的偏振效应和双折射分布进行准确测量，以提高系统的分辨率和成像质量。

[0007] 另外，该测量系统还可以用于宝石、晶体鉴定以及医药方面等等，总之，随着光刻技术的向前发展，需要曝出的线条宽度越来越细，对材料的偏振效应和双折射效应要求越来越高，建立一套能精确测定材料偏振效应和双折射分布的光学系统变得十分迫切。

发明内容

[0008] 本发明针对偏振和双折射效应进行精确测量，并对测量系统中光学元件进行物理模型建立。提供一种偏振和双折射测量系统，其核心部件为多级相差共轴波片，通过旋转多级相差共轴波片对光进行模式化，得到旋转角度和测量系统光强间对应关系，通过数学运算精确解析出被测面积上经过模式化的偏振和应力双折射分布。通过采用多波片组合以提高偏振和应力双折射的测量精度。

[0009] 本发明的技术方案为：一种偏振和双折射测量系统，主要包括光源模块、光信号调制模块和数据采集处理模块，其中光源模块包括光源、准直扩束系统，起偏器和待测样品；光信号调制模块包括多级相差共轴波片、检偏器和步进电机；数据采集处理模块包括光强探测器和计算机；波长为193.368nm的ArF激光器光源发出的光经过准直扩束系统后会聚光束变为远心光束，并入射到起偏器，远心光束经起偏器后变为偏振光，偏振光入射到待测样品上，光束通过待测样品后进入光信号调制模块，光束经多级相差共轴波片和检偏器后入射到光强探测器上，检偏器与起偏器指标性能匹配；多级相差共轴波片是由尺寸不等的多个波片构成的圆盘，多级相差共轴波片由步进电机驱动，通过驱动其旋转实现对光强的调制；光强探测器获取的光强信息经数据采集卡将数据存入计算机，并通过计算机的运算模块进行偏振和双折射数据参数的运算并储存，同时计算机通过D/A板给步进电机发送驱动信号以控制步进电机驱动的起止时间和旋转角度，步进电机带动多级相差共轴波片旋转，旋转角度值可通过计算机进行控制，光强探测器获取不同方位角时的强度信息，利用计算机对获取的强度信息进行处理和数学解析，得到光学材料的偏振和双折射模式和分布。

[0010] 本发明与现有技术相比具有以下优点：

[0011] 1、该系统采用共光路原理，很好的避免了环境和测量条件变化如空气流动，温度变化以及某些不确定的振动方式带来的影响。

[0012] 2、该系统使用超过一个独立的位相调制元件来抑制噪声，平均主要误差源。

[0013] 3、该系统采用三个波片来对偏振和双折射进行测量，很好地避免了由于系统的非线性影响引起的非线性误差，大大提高了测量精度。

附图说明

[0014] 图1为一种偏振和双折射测量系统测量原理示意图；

[0015] 图2为多级相差共轴波片示意图；

[0016] 图3为偏振和双折射测量系统数学解析示意图；

[0017] 图中标号说明：1-光源、2-准直扩束系统、3-起偏器、4-待测样品、5-多级相差共轴波片、6-检偏器、7-光强探测器、8-计算机、9-步进电机、10-光源模块、11-光信号调制模块、12-数据采集处理模块。

具体实施方式

[0018] 为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0019] 图1为一种偏振和双折射测量系统测量原理示意图，包括光源模块10、光信号调制模块11和数据采集处理模块12，所述光源模块10包括光源1、准直扩束系统2、起偏器3、待测样品4；光信号调制模块11包括多级相差共轴波片5、检偏器6；数据采集处理模块
12包括光强探测器7、计算机8和步进电机9。如图1所示，光源1为波长为193.368nm的ArF激光器，ArF激光器发出的光经过准直扩束系统2后会聚光束变为远心光束，并入射到起偏器3，光束经起偏器3后变为偏振光，偏振光入射到待测样品4上，光束透过待测样品4后进入光信号调制模块11，光束经多级相差共轴波片5和检偏器6入射到光强探测器7上，检偏器6与起偏器3指标性能匹配。多级相差共轴波片5由尺寸不等的多个波片构成的圆盘，多级相差共轴波片5由高精度步进电机9驱动，通过驱动其旋转实现对光强的调制。光强探测器7获取的光强信息经数据采集卡将数据存入计算机8，并通过计算机8的运算模块进行偏振和双折射数据参数的运算并储存，并可以同时在显示器上显示光斑图像，同时计算机8通过D/A板给步进电机9发送驱动信号以控制步进电机9的驱动的起止时间和旋转角度，步进电机9带动多级相差共轴波片5旋转，旋转角度值可通过计算机进行控制，光强探测器7获取不同方位角时的强度信息，利用计算机8对获取的强度信息进行处理和数学解析，得到光学材料的偏振和双折射模式和分布。

[0020] 多级相差共轴波片5设计技巧：(1)如图2所示，在一个圆盘内，三种波片必须具有高度的平行性，当光束通过旋转的波片时，它们的光轴必须保持相同。否则，就必须引入空间方位角，从而使计算和数据处理变得复杂化，甚至带来不可控制的错误；(2)关于三种波片所在一个圆周中所占角度，现给出一种最优解，1/4波片1/2圈，1/2波片1/4圈，3/4波片1/4圈；(3)每种波片的连接必须准确无误，每个连接处必须紧密成一线，否则，在测量时，当步进电机转至连接处时，可能没有光通过。

[0021] 三种波片在圆周中所占角度分配方法：对于入射的线偏振光，经过1/4波片，将1/4波片旋转一周，位相改变4π；经过1/2波片，将1/2波片旋转一周，位相改变8π；经过
3/4波片，将3/4波片旋转一周，位相改变12π。因此，1/4波片旋转半圈，位相改变一个周期2π；1/2波片旋转1/4圈，位相改变一个周期2π；3/4波片旋转1/4圈，位相改变1.5个周期3π。依此类推，还可以选用别的波片组合：如可以选用1/4波片1/2圈，1/3波片3/8圈，5/12波片1/8圈；

[0022] 图3为偏振和双折射测量系统数学解析示意图，主要包括以下几个模块：光源模块10、光信号调制模块11和数据采集处理模块12。

[0023] 光源模块10：包括光源1和准直扩束系统2，起偏器3，待测样品4。

[0024] 光信号调制模块11：包括多级相差共轴波片5、检偏器6。该模块的核心部分是多级相差共轴波片5，它是把1/4波片、1/2波片、3/4波片嵌于同一圆盘上，必须精确地控制步进角度而旋转。在波片前面，一个标准的准直扩束光学系统2使会聚光束变为远心光束，通过起偏器3和待测样品4后照射在多级相差共轴波片5上；在多级相差共轴波片5后面，放置一个与起偏器3指标性能一样的检偏器6。

[0025] 为了精确地测量偏振/双折射，光源模块10成为了待测系统，输出的位相和偏振态尽可能精确地测量。由于一些不确定因素会影响到测量的精度：特定方向上的偏振度，起偏角，两偏振矢量之间的滞后角等，所以采用多个波片来进行测量，以减小误差从而大大提高了测量精度。

[0026] 数据采集处理模块12：包括光强探测器7、计算机8和步进电机9。

[0027] 由激光光源发出的单色性好的光经过准直扩束系统2后，再经过起偏器3，变为偏振光，经过待测样品4，再经过多级相差共轴波片5，当用步进电机9控制多级相差共轴波片5旋转任意角度时，经过多级相差共轴波片5调制后的偏振光经过检偏器6到达光强探测器7，从光强探测器7上可以读出此时的透射光强，以相同的角速度转动波片，从而得到多组光强值，光强信息经图像采集卡将数据存入计算机8并储存，主要通过D/A板给步进电机
9发送驱动信号，从而带动多级相差共轴波片5旋转，旋转角度由计算机8控制，光强探测器
7摄取不同方位角时的强度信息，然后通过计算机8内的运算模块对图像进行数据处理，便求得了待测样品4的斯托克斯矢量和偏振度，通过计算机8可以直接读取的二者的测试结果。

[0028] 计算机内的描述光强-多级相差共轴波片的数学物理模型的运算模块如下：

[0029] 1.斯托克斯模型描述：

[0030] S′＝M×S

[0031]

[0032] 2.斯托克斯模型下的穆勒矩阵描述：

[0033] 旋转矩阵：

[0034]

[0035] 偏振旋转矩阵描述：

[0036] 对于偏振方向为水平方向：

[0037] P(θ)＝R(-θ)P(0)R(θ)

[0038]

[0039] 当旋转开始位置为水平位置时，偏振旋转矩阵表示如下：

[0040]

[0041] 当旋转开始位置为垂直位置，偏振旋转矩阵表示如下：

[0042]

[0043] 在垂直位置：

[0044]

[0045] 3.多级相差共轴波片描述：

[0046] a.波片滞后角为 快轴与X轴所成角度为θ，则穆勒矩阵如下：

[0047]

[0048] b.1/4波片快轴竖直方向：

[0049]

[0050] c.1/4波片快轴水平方向：

[0051]

[0052] d.1/4波片，快轴与X轴成一角度θ：

[0053]

[0054] e.1/2波片，快轴与X轴成一角度

[0055] f.3/4波片，快轴与X轴成一角度θ

[0056]

[0057] 4.如图3所示偏振和双折射测量系统数学解析图：

[0058] a.光源组件10是指激光光源1出射光束经过准直扩束系统2后，再经过一水平起偏器3，并通过待测样品4。如果用Ms表示待测样品4的穆勒矩阵，其相位延迟角为δ，方位角为φ，则

[0059]

[0060] 水平起偏器3的斯托克斯矩阵表示如下：

[0061]

[0062] 则光源组件10的斯托克斯矢量：

[0063]

[0064]

[0065]

[0066] b.调制组件11包括多级相差共轴波片5和检偏器6，通过多级相差共轴波片5的旋转而产生位相角，四分之一波片调制器的穆勒矩阵是：

[0067]

[0068]

[0069]

[0070] 二分之一波片调制器的穆勒矩阵是：

[0071]

[0072]

[0073]

[0074] 四分之三波片的穆勒矩阵为：

[0075]

[0076]

[0077]

[0078] c.探测单元12是指用来对偏振和双折射进行信号接收的二维阵列相机，并通过计算机控制和软件分析对所获得的信号进行处理。

[0079] 对于λ/4波片，将光源组件10与调制组件11进行作用，得到四分之一波片作用后的斯托克斯矩阵：

[0080]

[0081]

[0082]

[0083] 上式斯托克斯矩阵中第一行表示强度I(θ)，通过对第一行进行化简，最后得到如下等式：

[0084]

[0085]

[0086] 令θ＝ωt(ω表示波片旋转的角速度，t表示时间)，a2 ＝ -sinδsin2φ，
则上式可以化简为：2×I(ω)＝a0+a2sin(2ωt)+a4sin(4ωt)+
b4cos(4ωt)

[0087] 对于λ/2波片，将光源组件10与调制器件11作用，最后得到二分之一波片作用后的斯托克斯矩阵：

[0088]

[0089]

[0090]

[0091] 以上矩阵中第一行表示光强度I(θ)，对其进行化简，最后得到以下等式：

[0092] 2×I(θ)＝1+(cosδ-1)sin2φcos2φsin4θ-(cos22φ+cosδsin22φ)cos4θ[0093] 令θ＝ωt(ω表示波片旋转的角速度，t表示时间)，a0＝1，a2＝0，a4＝(cosδ-1)sin2φcos2φ，b4＝-(cos22φ+cosδsin22φ)，则上式可以化简为：2×I(ω)＝a0+a2sin(2ωt)+a4sin(4ωt)+b4cos(4ωt)

[0094] 所以上式可以化简为：

[0095] 2×I(ω)＝a0+a2sin(2ωt)+a4sin(4ωt)+b4cos(4ωt)

[0096] 对于3λ/4波片，将光源组件10与调制器件11作用，最后得到四分之三波片作用后的斯托克斯矩阵：

[0097]

[0098]

[0099]

[0100] 上式斯托克斯矩阵中第一行表示强度I(θ)，通过对第一行进行化简，最后得到如下等式：

[0101]

[0102]

[0103] 令θ＝ωt(ω表示波片旋转的角速度，t表示时间)，a2 ＝ sinδsin2φ，
则上式可以化简为：2×I(ω)＝a0+a2sin(2ωt)+a4sin(4ωt)+
b4cos(4ωt)

[0104] 在上式中，I(θ)可以通过光强探测器直接获得，待测元件厚度L，入射光波长为λ，Δn表示非常光与寻常光由于传播速度不同引起的折射率的差异，即双折射Δn。由公式δ＝2π(n2-n1)L/λ，可知：

[0105] 从而可以求出待测样品的双折射分布。对于多级相差共轴波片，上面对运用每种波片进行双折射测量进行了公式推导，通过平均化处理，最后可以得到待测样品的双折射分布。

[0106] 对于偏振测量，从获得的斯托克斯矢量可以获得任意光的偏振态信息：

[0107]

[0108] 其中θ为椭圆的方位角，表示椭圆的取向；ξ为椭圆的椭圆角，ξ正负表征偏振光是右旋偏振光和左旋偏振光；e表示椭圆的椭率；ρ描述偏振度，其值从非偏振光情况下的0到全偏振光情况下的1之间变化。

[0109] 当然，也可以多次重复上述测量，对采集到的多个测量结果求平均值，这样可以进一步提高测量精度。

[0110] 本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例变化，变型都将落在本发明权利要求书的范围内。