偏振态测量装置和测量方法与流程

本发明涉及偏振态测量领域，尤其是一种偏振态测量装置和测量方法。

背景技术：

光刻机的曝光系统(主要包括照明单元和投影物镜)是光刻机的重要组成部分，其作用是把掩模图像投影在涂覆有光敏材料的硅片面上。随着投影物镜数值孔径的增大，照明系统的偏振态对成像对比度的影响越来越大，因此照明系统的偏振态测量有重要意义。

在现有技术中，照明偏振测量方案主要通过机械的旋转光学检测元件或切换光学检测元件的方法，一般每个视场点的测量至少有4次的运动需求，会引起振动、旋转电机重复定位误差、磨损等不利影响。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种偏振态测量装置和测量方法,以解决现有测试方法中光学元件运动多而使得误差高及效率低的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种偏振态测量装置，包括：照明单元和用于检测所述照明单元光路的偏振态的偏振态检测单元，所述偏振态检测单元包括相位延迟组件、检测单元和校准单元，所述校准单元用于校准所述相位延迟组件的相位延迟误差，所述检测单元在校准后检测不同相位延迟状态下所述光路的偏振态。

进一步地，所述校准单元包括校准偏光组件，所述光路入射光经过所述校准偏光组件后输出偏振光，所述检测单元探测经所述相位延迟组件处理后的所述偏振光的光强。

进一步地，所述相位延迟组件包括电光晶体和晶体控制单元，所述晶体控制单元用于在所述电光晶体上加载电压以产生相位延迟。

进一步地，所述相位延迟组件包括四分之一波片和旋转台，所述旋转台用于带动所述四分之一波片旋转。

进一步地，所述检测单元包括偏振分光镜和探测器，所述光路经所述相位延迟组件处理后入射至所述偏振分光镜，所述探测器探测所述偏振分光镜分出的偏振光的光强。

进一步地，所述探测器为两个，分别探测偏振光的p分量和s分量的光强。

进一步地，还包括光路引出单元，所述光路引出单元用于引出所述照明单元的光路至所述偏振态检测单元。

进一步地，所述光路引出单元为反射镜或光纤。

进一步地，还包括准直单元，所述照明单元的光路经所述准直单元入射至所述偏振态检测单元。

本发明还提供了一种偏振态测量方法，包括：

s1：将照明单元的光路引入包括校准单元、相位延迟组件和检测单元的偏振态检测单元；

s2：通过所述校准单元校准相位延迟组件的相位延迟误差；

s3：移除所述校准单元；

s4：通过所述检测单元检测不同相位延迟状态下所述光路的偏振态。

进一步地，步骤s2包括：

s2.1：将照明单元的光路引入校准偏光组件，通过校准偏光组件产生偏振光；

s2.2：通过相位延迟组件接收所述偏振光；

s2.3：通过检测单元探测经所述相位延迟组件处理后的所述偏振光的光强；

s2.4：根据不同相位延迟下探测到的光强，校准所述相位延迟组件的延迟误差。

进一步地，在步骤s1中，设置包括电光晶体和晶体控制单元的相位延迟组件，通过所述晶体控制单元在所述电光晶体上加载电压以产生相位延迟。进一步地，在步骤s1中，设置包括四分之一波片和旋转台的相位延迟组件，通过所述旋转台带动所述四分之一波片旋转以产生相位延迟。

进一步地，在步骤s1中，设置包括偏振分光镜和探测器的检测单元，经所述相位延迟组件处理后的光束入射至所述偏振分光镜，通过所述探测器探测所述偏振分光镜分出的偏振光的光强。

进一步地，设置两个所述探测器，分别探测偏振光的p分量和s分量的光强。

进一步地，在步骤s1中，通过光路引出单元引出所述照明单元的光路至所述偏振态检测单元。

进一步地，所述光路引出单元为反射镜或光纤。

进一步地，在步骤s1中，将所述照明单元的光路经准直单元入射至所述偏振态检测单元。

本发明提出了一种偏振态测量装置和测量方法，该测量装置自带校准单元，在测量前进行自校准，可以减少光学元件的运动，提高测量效率和精度。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的偏振态测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的偏振态检测单元的结构示意图。

图3为本发明实施例一提供的偏振态测量方法的流程图；

图4为本发明实施例二提供的偏振态测量装置的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的光路引出单元的结构示意图；

图6为本发明实施例三提供的偏振态检测单元的结构示意图。

图中，1：光源，2：照明本体，3：掩模台，4：投影物镜，5：工件台，6：反射镜，7：偏振态检测单元，8：第一移动台，9：光纤，70：光纤转换头，71：小孔掩模，72：准直单元，73：校准单元，74：第二移动台，75：相位延迟组件，76：偏振分光镜，77:第一探测器，78：第二探测器，79：四分之一波片，80：旋转台。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种偏振态测量装置，包括：照明单元和用于检测所述照明单元光路的偏振态的偏振态检测单元7，所述偏振态检测单元7包括相位延迟组件75、检测单元和校准单元73，所述校准单元用于校准所述相位延迟组件的相位延迟误差，所述检测单元在校准后检测不同相位延迟状态下所述光路的偏振态。

该照明单元包括光源1、照明本体2、掩模台3、投影物镜4和工件台5，光源1经过照明本体2后，照射在掩模台3上的掩模上，经投影物镜4成像在硅片面，工件台5用于承载硅片。所述偏振态测量装置还包括第一移动台8，第一移动台8用于携带所述反射镜6和偏振态检测单元7移动，实现对不同视场点偏振态的测量。

进一步地，所述校准单元73包括校准偏光组件和第二移动台74，所述光路入射光经过所述校准偏光组件输出偏振光，所述校准单元73的消光比可以选取高于1000：1，光束经过校准单元73，透射光为某一偏振态的偏振光，纯度可以接近100％，所述检测单元探测经所述相位延迟组件75处理后的所述偏振光的光强，所述第二移动台74用于携带校准偏光组件进入或离开光路。光的偏振态可以用stokes参量表征，通过光强采集实现对入射光stokes参量的测量。

优选地，所述相位延迟组件75包括电光晶体和晶体控制单元，所述晶体控制单元用于在所述电光晶体上加载电压以产生相位延迟。电光晶体75可以是kdp晶体或其它晶体，表面镀有透明电极，通过控制外电场来改变晶体折射率，用于相位调制。可采用横向电光效应，也可采用纵向电光效应，以下分析以纵向电光效应为例。由于相位延迟量与加载的电压成正比，因此可以通过改变电压vi实现不同的相位延迟量，可以根据检测单元的探测结果，校准kdp晶体的电压值，进而达到校准相位延迟的目的。

请继续参考图2，所述检测单元包括偏振分光镜76和探测器，所述光路经所述相位延迟组件75处理后入射至所述偏振分光镜76，所述探测器探测所述偏振分光镜76分出的偏振光的光强。探测器可以为能量探测器、功率计、光电探测器、ccd或cmos，在本实施例中，探测器包括第一探测器77和第二探测器78，分别探测偏振分光镜76分出的不同偏振态的光。

为了从照明单元中引出光路，所述偏振态测量装置还包括光路引出单元，所述光路引出单元用于引出所述照明单元的光路至所述偏振态检测单元。在本实施例中，请继续参考图1，所述光路引出单元为反射镜6。

进一步地，所述偏振态测量装置还包括准直单元72，所述照明单元的光路经所述准直单元72入射至所述偏振态检测单元7。优选地，所述偏振态测量装置还包括小孔掩模71，所述照明单元的光路经所述小孔掩模71和准直单元72入射至所述偏振态检测单元7。

如图3所示，本发明还提供了一种偏振态测量方法，包括：

s1：将照明单元的光路引入包括校准单元73、相位延迟组件75和检测单元的偏振态检测单元7；

s2：通过所述校准单元73校准相位延迟组件的相位延迟误差；

s3：移除所述校准单元73；

s4：通过所述检测单元检测不同相位延迟状态下所述光路的偏振态。

进一步地，步骤s2包括：

s2.1：将照明单元的光路引入校准偏光组件，通过校准偏光组件产生偏振光；

s2.2：通过相位延迟组件75接收所述偏振光；

s2.3：通过检测单元探测经所述相位延迟组件75处理后的所述偏振光的光强；

s2.4：根据不同相位延迟下探测到的光强，校准所述相位延迟组件的延迟误差。

进一步地，在步骤s1中，设置包括电光晶体和晶体控制单元的相位延迟组件75，通过所述晶体控制单元在所述电光晶体上加载电压以产生相位延迟。进一步地，在步骤s1中，设置包括偏振分光镜76和探测器的检测单元，经所述相位延迟组件处理后的光束入射至所述偏振分光镜，通过所述探测器探测所述偏振分光镜分出的偏振光的光强。探测器可以为能量探测器、功率计、光电探测器、ccd或cmos，在本实施例中，探测器包括第一探测器77和第二探测器78，分别探测偏振分光镜76分出的不同偏振态的光。

为了从照明单元中引出光路，在步骤s1中，通过光路引出单元引出所述照明单元的光路至所述偏振态检测单元，所述光路引出单元为反射镜6。

进一步地，在步骤s1中，将所述照明单元的光路经准直单元72入射至所述偏振态检测单元7。优选地，将所述照明单元的光路经小孔掩模71和准直单元72入射至所述偏振态检测单元7。

在步骤s2中，通过所述校准单元73校准检测单元的相位延迟，其原理是，校准单元把入射光过滤为偏振纯度较高的偏振光，利用晶体加压使晶体产生一定角度β的相位延迟，偏振分光镜76把光束分开，根据马吕斯定律，透射光的能量满足：

i＝i0*(cosβ)²

可以根据测试需要分别校准30°，45°，60°，90°四个不同的相位延迟量对应的电压，也可以根据实际需要校准不同需求的任何相位延迟对应的电压。

通过以上步骤s2完成校准后，通过步骤s3完成移除校准单元73的过程，所述校准单元73包括校准偏光组件和第二移动台74，可以通过第二移动台74携带校准偏光组件离开光路，然后进入步骤s4以进行正式测试，按照校准过程中获得的校准电压值设置kdp的电压，测试几种电压下的探测器(第一探测器77和第二探测器78)的能量值。

对于相位延迟组件75，用θ表示快轴与x轴的夹角，δi表示相位延迟量，则其穆勒矩阵可表示为：

偏振分光镜76用于把偏振的p分量和s分量分别投射到第一探测器77和第二探测器78。因此，相对两个探测器来说，偏振分光镜76等效两个互相垂直的检偏器，检偏器的穆勒矩阵表示为：

其中p为消光比，α为透光方向与x方向的夹角。对于探测器77，穆勒矩阵中α＝90°，消光比为p1；对于探测器78，穆勒矩阵中α＝0°，消光比为p2。

入射光偏振态用stokes参量表示为sin＝[sin0,sin1,sin2,sin3]，则光透过相位延迟组件75及偏振分光镜76后的偏振态为：

sout＝mp·mw·sin

输出偏振stokes参量的第一个参量sout0可表示为：

sout0＝0.5(1+p)sin0

+0.5(1-p)sin1[cos2α(cos²2θ+sin²2θcosδi)+sin2α(1-cosδi)sin2θcos2θ]

+0.5(1-p)sin2[(cos2α(1-cosδi)sin2θcos2θ+sin2α(sin²2θ+cos²2θcosδi)]

+0.5(1-p)sin3(-cos2αsin2θsinδi+sin2αcos2θsinδi)

sout0即表示光强，是探测器可以直接测量的量，可以用光强i表示，通过相位调制，电光晶体产生4种不同的相位延迟量，两个探测器得到4组光强，即可求解出入射光的stokes参量。

以θ设定为30°，相位调制δi取30°，45°，60°，90°四个不同的相位延迟量，用第一探测器77测量相位延迟量调制为30°，45°时的光强ιp(30°)和ιp(45°)，用第二探测器78测量相位延迟量调制为60°，90°时的光强ιs(60°)和ιs(90°)，即：

ip(30°)＝0.5(1+p1)sin0-0.45(1-p1)sin1-0.03(1-p1)sin2+0.217(1-p1)sin3,

ip(45°)＝0.5(1+p1)sin0-0.39(1-p1)sin2-0.063(1-p1)sin2+0.313(1-p1)sin3,

is(60°)＝0.5(1+p2)sin0+0.3125(1-p2)sin2+0.108(1-p2)sin2-0.375(1-p2)sin3,

is(90°)＝0.5(1+p2)sin0+0.125(1-p2)sin2+0.2165(1-p2)sin2-0.433(1-p2)sin3.

其中消光比p1，p2可以通过偏振分光镜离线测量得到，在此不做细述。因此，由以上方程可以求解出入射光的stokes参量[sin0,sin1,sin2,sin3]。

以上所列相位调制量以及快轴方位角，检偏角度设定也可以采用其它组合，在此不做约束。

实施例二

如图4和图5所示，与实施例一不同，本实施例中的所述光路引出单元为光纤9，而不需要使用折弯反射镜，使用光纤收集部分背景光即可进行测试，可以在测试工位的镜筒上设置光纤接口，测试时方便光纤接入，如果光纤足够长，偏振态检测单元7可以放置在机台外面，也可以不使用第一移动台8。

请参考图5，使用光纤接入，在小孔掩模71接口处设置光纤转接头70，入射光纤采用保偏光纤，不改变入射光束的偏振态，防止引入其它误差。本实施例采用保偏光纤接口接入光路，可以减少空间需求，提高测试兼容性。

在本实施例中，也可以采用液晶相位调制器替代实施例一中的电光晶体调制方式，测校原理、测校流程与实际测试流程与实施例1相似，在此不再赘述。

实施例三

如图6所示，所述相位延迟组件75包括四分之一波片79和旋转台80，所述旋转台80用于带动所述四分之一波片79旋转。相应地，在步骤s1中，设置包括四分之一波片79和旋转台80的相位延迟组件，通过所述旋转台80带动所述四分之一波片79旋转以产生相位延迟。

测校原理、测校流程与测试流程与实施例1相似，区别为从实施例一中的校准电压变为校准波片的旋转角度。

测校的原理是，校准单元73把入射光过滤为偏振纯度较高的偏振光，利用旋转台80带动四分之一波片79旋转产生一定角度β的相位延迟，偏振分光镜76把光束分开，根据马吕斯定律，透射光的能量满足：

i＝i0*(cosβ)²

可以根据测试需要分别校准30°，45°，60°，90°四个不同的相位延迟量旋转台80对应的角度，也可以根据实际需要校准不同需求的任何相位延迟对应的角度。

正式测试时，通过第二移动台74携带校准偏光组件移出光路，按照校准过程中获得的校准角度值设置旋转台80的角度，测试几种角度下的第一探测器77和第二探测器78的能量值。

本发明提出了一种偏振态测量装置和测量方法，该测量装置自带校准单元，在测量前进行自校准，可以减少光学元件的运动，提高测量效率和精度。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。