专利名称：一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法
技术领域：
本发明涉及一种对光学元件参数的测量方法及装置，特别是深紫外光学元件性能稳定性的测试方法及装置。
背景技术：
在超大规模集成电路的制造工艺过程中，准分子激光光刻是最重要的工艺过程之一。目前半导体集成电路光刻设备所使用的主要激光光源为氟化氩准分子激光器，输出波长为193nm。在光刻机设备中，大量使用了深紫外光学元件，包括反射光学元件、透射光学元件、衰减光学元件等，用于对193nm激光束的整形、传输和控制。制备这些深紫外光学元件采用的光学材料主要为紫外级融石英和氟化钙衬底和氟化物薄膜材料(氟化镁、氟化铝、 氟化镧等)，由这些材料制备的深紫外光学元件在193nm波长的深紫外激光长时间照射条件下，其材料内部可能产生色心和其他的物理或化学过程，导致其光学性能将缓慢下降，直至灾难性损伤出现，光学元件使用寿命终结。因此测量和实时监测深紫外光学元件在深紫外激光照射下光学性能的实时变化和长时间稳定性对发展高光学性能、长使用寿命的深紫外光学元件，降低光刻设备的使用成本和集成电路芯片的制造成本具有重要意义。测量深紫外光学性能稳定性的常规手段是测量其吸收损耗在深紫外激光照射条件下的实时变化。目前测量光学元件吸收损耗的国际标准是激光量热法(IS011551 2003 (E) -Test method for absorptance of optical laser components)，其优点是會邑直接测量光学元件吸收损耗绝对值(不需要定标)，测量灵敏度高(优于10_6-李斌成，熊胜明，H. Blaschke,等；激光量热法测量光学薄膜微弱吸收，《中国激光》33 :823 (2006)),且装置简单，调节方便。缺点是光照射时间长，时间分辨率低，所测量结果仅反映光照射时间内光学元件吸收损耗的平均值，不能分辨吸收损耗的实时、快速变化。而光热技术，包括表面热透镜技术、透射式热透镜技术、光热偏转技术等(B. Li，S. Martin, and Ε. ffelsch, Pulsed top-hat beam thermal lens measurement on ultraviolet dielectric coatings, Opt. Lett. 24，1398 (1999) ；C. Muehlig, W. Triebel, S. Kufert, and S. Bublitz, Characterization of low losses in optical thin films and materials, App 1. Opt. 47，C135 Q008))，用于光学元件的吸收损耗测量具有非常高的时间分辨率，但其定标困难，通常为相对测量。而激光量热与光热联合技术(李斌成，中国发明专利“一种同时测量光学元件吸收损耗和表面热变形量的方法”，申请号200610165084.X，授权公告号 CN1971233B，授权公告日2010.05. 19 ；B. Li, H. Blaschke, and D. Ristau, Combined laser calorimetry and photothermal technique for absorption measurement of optical coatings, Appl.Opt. 45(23) :5827(2006))具备了激光量热技术和光热技术的优点，既能测量光学元件吸收损耗绝对值，又能测量吸收损耗的实时变化。另外，激光诱导荧光技术是测量深紫外光学元件在深紫外激光照射条件下性能稳定性的又一技术手段。由于深紫外光学元件的激光诱导荧光强度及其光谱特性与深紫外光学材料内的杂质、深紫外激光照射形成的色心等因素有关，通过监测深紫外光学元件在深紫外激光照射产生的荧光强度和光谱特性的实时变化情况，可以评估深紫外激光照射对深紫外光学元件产生的影响，从而分析深紫外光学元件的性能稳定性。上述吸收损耗的实时监测技术和激光诱导荧光的实时测量技术虽然能提供深紫外光学元件在深紫外激光照射情况下的性能稳定性信息，但均有一定的片面性。吸收损耗主要反映的是深紫外光学元件的宏观特性，而激光诱导荧光强度和光谱特性主要反映的是深紫外光学元件的微观特性，通过单一信息分析深紫外光学元件的性能稳定性具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种能同时监测深紫外光学元件在深紫外激光照射条件下吸收损耗和激光诱导荧光的实时变化特性的综合测试方法，为综合评估深紫外光学元件的光学性能稳定性提供技术手段。本发明的技术解决方案深紫外光学元件稳定性的综合测试方法及装置，其特点在于步骤如下(1)将一聚焦的深紫外重复脉冲激光束(重复频率不低于IOHz)，即加热激光光束照射到一放置在绝热样品室内的深紫外光学元件表面中心位置附近，深紫外光学元件因吸收加热激光束能量导致温度上升，同时深紫外光学元件产生表面热变形并在内部产生折射率梯度，并产生荧光发光。(2)用一温度测量元件直接接触深紫外光学元件表面测量其温度变化，记录加热激光光束照射前、照射过程中、以及照射后(即冷却过程)深紫外光学元件的温度变化信号AT(t)，采用光学元件吸收损耗测试方法的国际标准(IS011551)-激光量热技术中推荐的步骤处理温度变化数据(温度变化信号Δτα))得到深紫外光学元件的吸收损耗绝对值
αο ；(3)同时使用一功率一般在毫瓦或亚毫瓦量级的连续激光束，即探测激光光束入射到深紫外光学元件被加热激光光束照射的相同表面区域，用一小孔光阑和光电探测器组合测量从深紫外光学元件表面反射的探测激光光束的最大中心光强变化Δ ο以及照射前探测激光光束的中心光强直流值Itl，得到加热激光光束照射过程中探测激光光束中心光强的最大相对变化Δ&= Δ IciAci，称为表面热透镜信号，并用步骤O)中得到的吸收损耗绝对值对表面热透镜信号△&进行定标，得到表面热透镜信号对应的吸收损耗值的标定系数C = AScZatl ；记录加热激光光束照射过程中表面热透镜信号随时间的实时变化曲线 AS(t) = Δ I(t)/I0, AI(t)为探测激光光束的最大中心光强实时变化量)，由此得到深紫外光学元件吸收损耗的实时变化曲线a (t) = CX AS(t)；(4)同时在绝热样品室内使用荧光收集光学系统收集深紫外光学元件在深紫外加热激光光束照射时产生的荧光，通过耦合光纤耦合进入光谱测量仪器(由单色仪和光电探测单元组成)测量深紫外光学元件产生的荧光强度及其光谱分布；记录加热激光光束照射过程中荧光信号随时间的实时变化曲线AFa)，由此得到深紫外光学元件荧光强度及光谱分别布的实时变化情况；所述步骤(2)中的数据处理方法为根据国际标准IS011551中推荐的温度变化数学模型拟合加热激光光束照射前、照射过程中、以及照射后(即冷却过程)深紫外光学元件的温度变化信号AT(t)得到吸收损耗绝对值。所述的加热激光光束和探测激光光束的中心位置在被测深紫外光学元件表面重合，并且在被测深紫外光学元件表面位置探测激光光束的光斑尺寸是加热激光光束的2倍以上。所述的小孔光阑和光电探测器组合中的小孔光阑位于光电探测器探测面之前，且小孔光阑的口径小于加热激光光束在被测深紫外光学元件表面位置的光斑尺寸。所述的探测激光光束相对于被测深紫外光学元件表面的入射角范围为0-60度， 并且在垂直入射时使用偏振分光技术分离入射和原光路反射的探测光光束。所述的步骤(3)中也可以通过测量透过被测深紫外光学元件的探测光光束的最大中心光强变化Δ ο以及照射前探测激光光束的中心光强直流值Itl,再按步骤C3)所述的步骤记录和标定Δ&= Δ IciAci，称为透射式热透镜信号，得到被测深紫外光学元件吸收损耗的实时变化曲线。所述的步骤(3)中也可以通过采用位置敏感光电探测器测量透过深紫外光学元件的聚焦探测光光束由于内部折射率梯度引起的光束方向变化量Δφο，再按步骤(3)所述的步骤记录和标定其对应的电流或电压信号，称为光热信号，得到深紫外光学元件吸收损耗的实时变化曲线。所述的步骤中的荧光收集光学系统可以为一单一聚焦透镜或反射式物镜，也可以为由多个透镜或反射式物镜组成的光收集系统。所述的步骤中在荧光收集光学系统和耦合光纤输入端之间插入中心波长为加热激光波长的窄带滤光片阻止加热激光波长的光进入耦合光纤。所述的步骤中用于探测荧光强度的探测单元为具有纳秒级时间分辨能力的高速光电探测器件，比如带像增强的CCD阵列探测器。当深紫外激光器输出波长低于200nm时，综合测试装置的整个光路系统均置于高纯氮气环境中。本发明的原理是首先参考国际标准IS011551建立激光量热装置，基于激光量热技术测量被测深紫外光学元件的吸收损耗α —然后在激光量热测量技术和装置基础上， 引入表面热透镜测量技术。相关具体步骤为将未聚焦的探测激光光束与深紫外加热激光光束共轴或傍轴地入射到被测深紫外光学元件的加热表面，两激光光束中心在光学元件被照射表面重合。使用光电探测器测量从被测深紫外光学元件被照射表面反射的探测激光光束中心光强的变化。用数据存储示波器或数据采集卡记录探测光光束中心光强的最大变化量Δ ο和中心光强在深紫外加热激光光束照射前的直流信号Ιο，得到加热激光光束照射过程中探测激光光束中心光强的最大相对变化Δ&= Δ IciAci，即表面热透镜信号，并用激光量热技术测量得到的吸收损耗绝对值α ^对表面热透镜信号进行定标，得到表面热透镜信号对应的吸收损耗值的标定系数C = Δ Stl/ α…通过定标的表面热透镜信号具有确定吸收损耗绝对值的功能。再通过记录加热激光光束照射过程中表面热透镜信号随时间的实时变化曲线Δ S (t)，由此得到被测深紫外光学元件吸收损耗的实时变化曲线α (t)= CX AS(t)，用于监测被测深紫外光学元件吸收损耗的实时变化及其性能稳定性。同时，通过采用荧光收集光学系统收集、单色仪分光和高速光电阵列探测器探测，得到被测深紫外光学元件由于深紫外激光光束照射产生的荧光强度、光谱分布及其不同谱线或谱带荧光强度的时间衰减特性，以及这些参数在深紫外激光照射情况下的实时变化情况，为分析评估被测深紫外光学元件在深紫外激光照射条件下的性能稳定性提供测试数据。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明可同时测量深紫外光学元件的吸收损耗绝对值和激光诱导荧光强度及其光谱特性，用于监测深紫外光学元件在深紫外激光照射下光学性能的稳定性，一机多用， 节约了成本。(2)本发明可监测激光量热技术测量光学元件吸收损耗过程中光学元件吸收损耗的动态变化过程，有利于提高吸收损耗的测量精度。
图1为本发明采用表面热透镜技术的综合测试装置结构示意图；图加为采用本综合测试装置同时记录的激光量热信号的典型曲线；图2b为采用本综合测试装置同时记录的表面热透镜信号的典型曲线；图3为采用本综合测试装置同时记录的激光诱导荧光的典型光谱图；图4为本发明采用透射式热透镜技术的综合测试装置结构示意图； 图5为本发明采用光热偏转技术的综合测试装置结构示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明采用表面热透镜技术的综合测试装置由深紫外准分子激光光源1、光束整形系统2、电控可变光衰减器3、聚焦透镜4、电动光学快门5、激光功率计6、探测激光光源7、反射镜8、绝热样品室9、被测样品夹具及被测深紫外光学元件样品10，参考样品夹具及参考样品11，灵敏温度探测单元12，荧光收集光学系统13，窄带光学滤光片14， 耦合光纤15，单色仪16，荧光光电探测器件17，小孔光阑18，光电探测器19，桥式放大电路 20，A/D转换器21和22，计算机23，反射镜M和光吸收体25组成。当深紫外准分子激光光源的输出波长低于200nm时，整个光路系统置于高纯氮气环境中。深紫外准分子激光光源1的输出光束经光束整形系统2整形和电控可变光衰减器3调节功率后由聚焦透镜4聚焦到放置在绝热样品室9内的被测深紫外光学元件10表面。深紫外准分子激光光源1的功率由计算机23控制电控可变光衰减器3调节，并由电动光学快门5反射到激光功率计6 测量。透过和从被测深紫外光学元件10反射的深紫外准分子激光束经反射镜M转向后由光吸收体25吸收。光学元件因吸收加热激光束能量而温度上升，同时表面因热膨胀产生变形，形成表面热变形。被测深紫外光学元件10的温度上升由灵敏温度探测单元12测量，并通过另一灵敏温度探测单元同时测量参考样品11的温度和使用桥式放大电路20消除环境温度漂移影响。消除了环境温度漂移影响的温度信号AT(t)经A/D转换器21模数转换后送入计算机23数据处理，得到被测深紫外光学元件10的吸收损耗绝对值。另外，从探测激光光源7输出的光束经反射镜8转向后入射到被测深紫外光学元件10表面被加热激光束 (即深紫外准分子激光光源1的输出光束)照射的相同区域，从该表面反射的探测激光束经反射镜8转向后，光斑中心部分光束穿过小孔光阑18后由光电探测器19探测，被测深紫外光学元件10因表面热变形导致反射探测激光束中心光强降低，通过光电探测器19探测中心光强的直流量I (t)及其变化量Δ I (t)，经A/D转换器22模数转换后送入计算机23数据处理，得到被测深紫外光学元件 ο的表面热透镜信号Asa) = Δ α)/ια)。表面热透
7镜信号的实时变化则反映了被测深紫外光学元件10吸收损耗的实时变化及光学性能稳定性。激光量热技术通过测量被测深紫外光学元件10因吸收深紫外加热激光光束能量而产生的温度上升来确定被测深紫外光学元件10的吸收损耗绝对值大小。国际标准 IS011551中规定，测量过程应包括照射前(至少30秒)、照射(5至300秒)和冷却(至少 200秒)三个过程。照射和冷却过程中被测样品(深紫外光学元件10)的温度变化分别为Δ T (t) = A {1-exp [- y (t-、)]}, U1 彡 t 彡 t2)(1)AT(t) = Δ T(t2)+B{1-exp[-y (t-t2)]}, (t 彡 t2) (2)其中Ceff、α、P、y分别是样品夹具及被测深紫外光学元件10的有效热容量、被测深紫外光学元件10的吸收损耗、深紫外加热激光光束功率和热损失系数，ti和t2分别是深紫外加热激光光束照射开始和结束时的时间，A，B为实验参数。通过(1)、(2)式拟合测量温度曲线(如图2 (a)所示，横坐标Time为时间，单位seconds为秒，左纵坐标"Temperature rise为上升温度，单位mK，右纵坐标Power为功率，单位为W。Measurement代表测量值，Fit 代表拟合值，Absolute A代表绝对吸收损耗值)得到A、B和Y，从而得到被测深紫外光学元件10的绝对吸收损耗
权利要求
1.一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于步骤如下(1)将一聚焦的深紫外重复脉冲激光束，重复频率不低于10Hz，即加热激光光束照射到一放置在绝热样品室内的深紫外光学元件表面中心位置附近，深紫外光学元件因吸收加热激光束能量导致温度上升，同时深紫外光学元件产生表面热变形并在内部产生折射率梯度，并产生荧光发光；(2)采用温度测量元件直接接触深紫外光学元件表面测量深紫外光学元件温度变化， 记录加热激光光束照射前、照射过程中、以及照射后即冷却过程深紫外光学元件的温度变化信号AT(t)，采用光学元件吸收损耗测试方法的国际标准IS011551激光量热技术中推荐的步骤处理温度变化数据，所述温度变化信号Δτα)得到深紫外光学元件的吸收损耗绝对值α Q ；(3)同时使用功率在毫瓦或亚毫瓦量级的连续激光束，即探测激光光束入射到深紫外光学元件被加热激光光束照射的相同表面区域，用一小孔光阑和光电探测器组合测量从深紫外光学元件表面反射的探测激光光束的最大中心光强变化AItl以及照射前探测激光光束的中心光强直流值Itl,得到加热激光光束照射过程中探测激光光束中心光强的最大相对变化Δ&= Δ IciAci，称为表面热透镜信号，并用步骤⑵中得到的吸收损耗绝对值％对表面热透镜信号进行定标，得到表面热透镜信号对应的吸收损耗值的标定系数C = Δ Stl/α ^记录加热激光光束照射过程中表面热透镜信号随时间的实时变化曲线AS(t)= Δ I(t)/I0, AI(t)为探测激光光束的最大中心光强实时变化量，由此得到深紫外光学元件吸收损耗的实时变化曲线α (t) =CXAS(t)；(4)同时在绝热样品室内使用荧光收集光学系统收集深紫外光学元件在深紫外加热激光光束照射时产生的荧光，通过耦合光纤耦合进入光谱测量仪器测量深紫外光学元件产生的荧光强度及其光谱分布；记录加热激光光束照射过程中荧光信号随时间的实时变化曲线 AF(t)，由此得到深紫外光学元件荧光强度及光谱分别布的实时变化情况。
2.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述步骤( 中的数据处理方法为根据国际标准IS011551中推荐的温度变化数学模型拟合加热激光光束照射前、照射过程中、以及照射后(即冷却过程)深紫外光学元件的温度变化信号Δτα)得到吸收损耗绝对值。
3.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的加热激光光束和探测激光光束的中心位置在被测深紫外光学元件表面重合，并且在被测深紫外光学元件表面位置探测激光光束的光斑尺寸是加热激光光束的2倍以上。
4.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的小孔光阑和光电探测器组合中的小孔光阑位于光电探测器探测面之前，且小孔光阑的口径小于加热激光光束在被测深紫外光学元件表面位置的光斑尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的探测激光光束相对于被测深紫外光学元件表面的入射角范围为0-60度，并且在垂直入射时使用偏振分光技术分离入射和原光路反射的探测光光束。
6.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的步骤(3)中也可以通过测量透过被测深紫外光学元件的探测光光束的最大中心光强变化Δ ο以及照射前探测激光光束的中心光强直流值Itl,再按步骤C3)所述的步骤记录和标定Δ&= Δ IciAci，称为透射式热透镜信号，得到被测深紫外光学元件吸收损耗的实时变化曲线。
7.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的步骤(3)中也可以通过采用位置敏感光电探测器测量透过深紫外光学元件的聚焦探测光光束由于内部折射率梯度引起的光束方向变化量Δφο，再按步骤⑶所述的步骤记录和标定其对应的电流或电压信号△&，称为光热信号，得到深紫外光学元件吸收损耗的实时变化曲线。
8.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的步骤中的荧光收集光学系统可以为一单一聚焦透镜或反射式物镜，也可以为由多个透镜或反射式物镜组成的光收集系统。
9.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的步骤中在荧光收集光学系统和耦合光纤输入端之间插入中心波长为加热激光波长的窄带滤光片阻止加热激光波长的光进入耦合光纤。
10.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 所述的步骤中用于探测荧光强度的探测单元为具有纳秒级时间分辨能力的高速光电探测器件，比如带像增强的CXD阵列探测器。
11.根据权利要求1所述的一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，其特征在于 当深紫外激光器输出波长低于200nm时，综合测试装置的整个光路系统均置于高纯氮气环境中。
全文摘要
一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法，采用激光量热技术测量深紫外光学元件的吸收损耗绝对值并对光热信号幅值定标，采用光热技术监视深紫外光学元件在深紫外激光照射过程中深紫外光学元件吸收损耗的实时变化，采用激光诱导荧光技术测量深紫外光学元件在深紫外激光照射过程中的荧光光谱及其实时变化，通过测量深紫外光学元件在深紫外激光照射过程中吸收损耗和荧光光谱的实时变化监测深紫外光学元件性能的稳定性。
文档编号G01M11/02GK102175427SQ20101062388
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者李斌成 申请人:中国科学院光电技术研究所