一种光偏振态测试方法

本发明涉及光偏振态测试方法，特别涉及一种深紫外(duv)193nm波长的光偏振态测试方法。

背景技术：

1、目前在半导体芯片制造产业，浸液光刻机采用准分子激光器(arf激光器)和浸液技术、偏振照明等若干分辨率增强技术，已经实现小于38nm(单次曝光)的光学分辨率，可以用于亚7-nm节点的半导体芯片大批量生产，最新机型可以实现最高每小时275片的产率(直径300mm硅片)。

2、在浸液光刻机的投影物镜数值孔径(na)大于1的时代，偏振照明系统是浸液光刻机关键必备的标配装置，需要测量与控制偏振照明系统投射在掩模版上照明光瞳的偏振态。照明光瞳的偏振光振动方向、偏振度、偏振纯度等参数对实现各种不同图形的精确曝光至关重要，没有照明光瞳偏振态的测量与控制，就没有合格的曝光图形。

3、根据公知常识，测试光的偏振态一般需要测试光的斯托克斯参量。光刻机照明光瞳偏振态一般在短期内(如曝光一个批次硅片)是能够保持不变的，这样就可以仅仅测量一个斯托克斯参量(如s1)，用来监测光刻机照明光瞳偏振态的变化。而当斯托克斯参量s1变化量超过一定阈值时，则启动测试全部4个斯托克斯参量，这包括可以直接测量每一个归一化斯托克斯参量，也可以直接测量每一个斯托克斯参量。

4、根据公知常识，测试光的偏振态一般有2大类方法，其一为，通过对1/4波片(或1/4波片和1/2波片)在不同时刻的不同快轴方位角位置的调制，用光探测器获得对应的不同光强值，求解方程组计算得到全部4个斯托克斯参量；其二为，通过1个分光器件同时对多个(4个或4个以上)1/4波片(或1/4波片和1/2波片)的不同快轴方位角位置的调制，用多个(4个或4个以上)光探测器(或1个光探测器的4个或4个以上不同区域)获得对应的不同光强值，求解方程组计算得到全部4个斯托克斯参量。前者可以称为波片时间调制法，后者可以称为波片空间调制法。显然，后者在技术实现上更复杂，但优点是可以测试光偏振态的瞬态变化。如果在一定的短时间内光偏振态是缓变的(或者变化可以忽略)，那么采用波片时间调制法可以降低设计偏振检测装置的复杂性。

5、根据公知常识，测试光的偏振态一般采用1/4波片(或1/4波片和1/2波片)对被测光进行调制。由于一般的1/4波片和1/2波片都是对单一波长设计加工，其名义相位延迟量分别为90°和180°，而一般的被测光有一定的光谱带宽或有一定的中心波长漂移。这将引起1/4波片和1/2波片的相位延迟的变化，导致测量斯托克斯参量出现错误。

6、举例说明：被测光是由宽带光源和193nm窄带滤波片产生的193nm波长的单色光，193nm窄带滤波片为edmund公司产品，其中心波长为193nm，光谱带宽(半高全宽)为15nm±3nm。在193nm波长采用双折射晶体(石英晶体)来制作1/4波片，根据参考文献(gorachandghosh.dispersion-equation coefficients for the refractive index andbirefringence of calcite and quartz crystals[c].optics communications,163(1999)95–102.)中石英晶体的色散方程系数，当光源带宽为193.368±15nm时，可以计算1/4波片的相位延迟随波长的变化情况如图1所示，其相位延迟随波长由107°变化到90°，最后到78°，相对变化量为18.9％～-13.3％，其中红线表示在193.368nm波长的相位延迟为90°。

7、下面以最简单的4个1/4波片处于4个不同快轴方位角位置的波片时间调制法测试光的偏振态来说明上述的被测光的光谱带宽对测量斯托克斯参量的影响。该测试方法的原理是：测试装置中设计有4个复合零级1/4波片，分别设置为快轴方向与x轴成30°、60°、90°、135°的固定角度位置，并分别对应4个检偏器，装置中设计有1个ccd摄像机依次采集4个检偏器出射的光强(从时间轴上分为4个时刻)。这样就可以从预知的1/4波片4种调制状态和测量得到的4个光强值，计算得到4个斯托克斯参量(就是求解4个线性方程组成的1个方程组)。

8、不失一般性，设被测光为理想x向线偏振光(归一化斯托克斯参量为[1,1,0,0])，设该偏振检测方法的光谱带宽为193.368±15nm，而其它误差都为0。根据该测试方法求解获得的归一化斯托克斯参量如图2～图5所示，分别为当波长从193.368nm-15nm变化到193.368nm+15nm时，归一化斯托克斯参量s0、s1、s2和s3曲线。由于已做归一化，因此对s0无影响，对s2和s3的影响可以忽略不计，但是对s1的影响非常大，相对变化量为82.6％～-34.4％(如图3所示)。

9、在标定193nm偏振检测装置时，需要保证其斯托克斯参量s1的测量精度为优于±0.26％，那么根据上面的分析，需要将被测光的光谱带宽约束为优于±0.08nm(如图6所示)，即193.368nm±0.08nm。对于193nm波长如此窄的光谱带宽要求，采用干涉滤波片、法布里-珀罗干涉仪、单色仪等技术方案均无法满足此要求。

10、在标定193nm偏振检测装置时，采用193nm波长激光器可以满足光谱带宽要求，但是，193nm波长激光器的价格相当可观，而且将光功率稳定性控制到0.1％也需要相当高的成本。

11、如果采用消色差1/4波片方案，可以大大降低对被测光的光谱带宽要求，但是，在193nm波长的双折射晶体仅有石英晶体、氟化镁晶体，而氟化镁晶体的抛光工艺非常差，目前业界的1/4波片都采用石英晶体。所以消色差波片方案在工艺上有难以逾越的困难。

技术实现思路

1、本发明的目的在于公开一种光偏振态测试方法，特别是一种用于深紫外(duv)193nm波长的光偏振态测试方法。该测试方法可以大大降低对被测光的光谱带宽要求，可以采用相对于193nm波长激光器比较宽的光谱带宽的被测光对采用该测试方法的193nm偏振检测装置进行标定。

2、一种光偏振态测试方法，特别适用于duv193nm波长，其特点在于，该方法包括步骤如下：

3、s1.搭建测试光路，包括四个波片，每个波片的相位延迟在193.368nm波长下均为176°或184°，且各波片的快轴方向与x轴的夹角分别设置为30°、60°、90°和135°；

4、s2.提供与四个波片相对应的四个检偏器，或者提供一个检偏器并依次将四个波片插入测试光路；

5、s3.利用一个或四个ccd摄像机采集一个或四个检偏器出射的光强；

6、s4.根据预设的波片调制状态和步骤s3测量得到的光强值，计算四个斯托克斯参量，从而确定光的偏振态。

7、所述测试光路为成空间调制型，用于被测光偏振态快速变化的测试场景；或者，为时间调制型，用于被测光偏振态缓慢变化的测试场景。

8、本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

9、1、本发明的用于深紫外(duv)193nm波长的偏振态测试方法，可以大大降低对被测光的光谱带宽要求，可以采用相对于193nm波长激光器比较宽的光谱带宽的被测光对采用该测试方法的193nm偏振检测装置进行标定；

10、2、本发明的用于深紫外(duv)193nm波长的偏振态测试方法，同样可以测试光谱带宽非常小的193nm波长的激光。

11、3、与传统的1/4波片调制法相比，本发明在光谱带宽要求上有显著的改进，从±0.08nm放宽到了6nm，这使得可以使用一般的单色仪或法布里-珀罗干涉仪进行标定。

12、4、本发明通过特殊设计的波片和检偏器组合，实现了对深紫外193nm波长光偏振态的精确测量，同时大大降低了对被测光光谱带宽的要求，为实际应用提供了更大的灵活性和便利性。