專利名稱：一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法
技術領域：
本發明涉及一種對光學元件參數的測量方法及裝置，特別是深紫外光學元件性能穩定性的測試方法及裝置。
背景技術：
在超大規模集成電路的制造工藝過程中，準分子激光光刻是最重要的工藝過程之一。目前半導體集成電路光刻設備所使用的主要激光光源為氟化氬準分子激光器，輸出波長為193nm。在光刻機設備中，大量使用了深紫外光學元件，包括反射光學元件、透射光學元件、衰減光學元件等，用于對193nm激光束的整形、傳輸和控制。制備這些深紫外光學元件采用的光學材料主要為紫外級融石英和氟化鈣襯底和氟化物薄膜材料(氟化鎂、氟化鋁、 氟化鑭等)，由這些材料制備的深紫外光學元件在193nm波長的深紫外激光長時間照射條件下，其材料內部可能產生色心和其他的物理或化學過程，導致其光學性能將緩慢下降，直至災難性損傷出現，光學元件使用壽命終結。因此測量和實時監測深紫外光學元件在深紫外激光照射下光學性能的實時變化和長時間穩定性對發展高光學性能、長使用壽命的深紫外光學元件，降低光刻設備的使用成本和集成電路芯片的制造成本具有重要意義。測量深紫外光學性能穩定性的常規手段是測量其吸收損耗在深紫外激光照射條件下的實時變化。目前測量光學元件吸收損耗的國際標準是激光量熱法(IS011551 2003 (E) -Test method for absorptance of optical laser components)，其優點是會邑直接測量光學元件吸收損耗絕對值(不需要定標)，測量靈敏度高(優于10_6-李斌成，熊勝明，H. Blaschke,等；激光量熱法測量光學薄膜微弱吸收，《中國激光》33 :823 (2006)),且裝置簡單，調節方便。缺點是光照射時間長，時間分辨率低，所測量結果僅反映光照射時間內光學元件吸收損耗的平均值，不能分辨吸收損耗的實時、快速變化。而光熱技術，包括表面熱透鏡技術、透射式熱透鏡技術、光熱偏轉技術等(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))，用于光學元件的吸收損耗測量具有非常高的時間分辨率，但其定標困難，通常為相對測量。而激光量熱與光熱聯合技術(李斌成，中國發明專利“一種同時測量光學元件吸收損耗和表面熱變形量的方法”，申請號200610165084.X，授權公告號 CN1971233B，授權公告日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))具備了激光量熱技術和光熱技術的優點，既能測量光學元件吸收損耗絕對值，又能測量吸收損耗的實時變化。另外，激光誘導熒光技術是測量深紫外光學元件在深紫外激光照射條件下性能穩定性的又一技術手段。由于深紫外光學元件的激光誘導熒光強度及其光譜特性與深紫外光學材料內的雜質、深紫外激光照射形成的色心等因素有關，通過監測深紫外光學元件在深紫外激光照射產生的熒光強度和光譜特性的實時變化情況，可以評估深紫外激光照射對深紫外光學元件產生的影響，從而分析深紫外光學元件的性能穩定性。上述吸收損耗的實時監測技術和激光誘導熒光的實時測量技術雖然能提供深紫外光學元件在深紫外激光照射情況下的性能穩定性信息，但均有一定的片面性。吸收損耗主要反映的是深紫外光學元件的宏觀特性，而激光誘導熒光強度和光譜特性主要反映的是深紫外光學元件的微觀特性，通過單一信息分析深紫外光學元件的性能穩定性具有一定的局限性。
發明內容
本發明的目的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種能同時監測深紫外光學元件在深紫外激光照射條件下吸收損耗和激光誘導熒光的實時變化特性的綜合測試方法，為綜合評估深紫外光學元件的光學性能穩定性提供技術手段。本發明的技術解決方案深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法及裝置，其特點在于步驟如下(1)將一聚焦的深紫外重復脈沖激光束(重復頻率不低于IOHz)，即加熱激光光束照射到一放置在絕熱樣品室內的深紫外光學元件表面中心位置附近，深紫外光學元件因吸收加熱激光束能量導致溫度上升，同時深紫外光學元件產生表面熱變形并在內部產生折射率梯度，并產生熒光發光。(2)用一溫度測量元件直接接觸深紫外光學元件表面測量其溫度變化，記錄加熱激光光束照射前、照射過程中、以及照射后(即冷卻過程)深紫外光學元件的溫度變化信號AT(t)，采用光學元件吸收損耗測試方法的國際標準(IS011551)-激光量熱技術中推薦的步驟處理溫度變化數據(溫度變化信號Δτα))得到深紫外光學元件的吸收損耗絕對值
αο ；(3)同時使用一功率一般在毫瓦或亞毫瓦量級的連續激光束，即探測激光光束入射到深紫外光學元件被加熱激光光束照射的相同表面區域，用一小孔光闌和光電探測器組合測量從深紫外光學元件表面反射的探測激光光束的最大中心光強變化Δ ο以及照射前探測激光光束的中心光強直流值Itl，得到加熱激光光束照射過程中探測激光光束中心光強的最大相對變化Δ&= Δ IciAci，稱為表面熱透鏡信號，并用步驟O)中得到的吸收損耗絕對值對表面熱透鏡信號△&進行定標，得到表面熱透鏡信號對應的吸收損耗值的標定系數C = AScZatl ；記錄加熱激光光束照射過程中表面熱透鏡信號隨時間的實時變化曲線 AS(t) = Δ I(t)/I0, AI(t)為探測激光光束的最大中心光強實時變化量)，由此得到深紫外光學元件吸收損耗的實時變化曲線a (t) = CX AS(t)；(4)同時在絕熱樣品室內使用熒光收集光學系統收集深紫外光學元件在深紫外加熱激光光束照射時產生的熒光，通過耦合光纖耦合進入光譜測量儀器(由單色儀和光電探測單元組成)測量深紫外光學元件產生的熒光強度及其光譜分布；記錄加熱激光光束照射過程中熒光信號隨時間的實時變化曲線AFa)，由此得到深紫外光學元件熒光強度及光譜分別布的實時變化情況；所述步驟(2)中的數據處理方法為根據國際標準IS011551中推薦的溫度變化數學模型擬合加熱激光光束照射前、照射過程中、以及照射后(即冷卻過程)深紫外光學元件的溫度變化信號AT(t)得到吸收損耗絕對值。所述的加熱激光光束和探測激光光束的中心位置在被測深紫外光學元件表面重合，并且在被測深紫外光學元件表面位置探測激光光束的光斑尺寸是加熱激光光束的2倍以上。所述的小孔光闌和光電探測器組合中的小孔光闌位于光電探測器探測面之前，且小孔光闌的口徑小于加熱激光光束在被測深紫外光學元件表面位置的光斑尺寸。所述的探測激光光束相對于被測深紫外光學元件表面的入射角范圍為0-60度， 并且在垂直入射時使用偏振分光技術分離入射和原光路反射的探測光光束。所述的步驟(3)中也可以通過測量透過被測深紫外光學元件的探測光光束的最大中心光強變化Δ ο以及照射前探測激光光束的中心光強直流值Itl,再按步驟C3)所述的步驟記錄和標定Δ&= Δ IciAci，稱為透射式熱透鏡信號，得到被測深紫外光學元件吸收損耗的實時變化曲線。所述的步驟(3)中也可以通過采用位置敏感光電探測器測量透過深紫外光學元件的聚焦探測光光束由于內部折射率梯度引起的光束方向變化量Δφο，再按步驟(3)所述的步驟記錄和標定其對應的電流或電壓信號，稱為光熱信號，得到深紫外光學元件吸收損耗的實時變化曲線。所述的步驟中的熒光收集光學系統可以為一單一聚焦透鏡或反射式物鏡，也可以為由多個透鏡或反射式物鏡組成的光收集系統。所述的步驟中在熒光收集光學系統和耦合光纖輸入端之間插入中心波長為加熱激光波長的窄帶濾光片阻止加熱激光波長的光進入耦合光纖。所述的步驟中用于探測熒光強度的探測單元為具有納秒級時間分辨能力的高速光電探測器件，比如帶像增強的CCD陣列探測器。當深紫外激光器輸出波長低于200nm時，綜合測試裝置的整個光路系統均置于高純氮氣環境中。本發明的原理是首先參考國際標準IS011551建立激光量熱裝置，基于激光量熱技術測量被測深紫外光學元件的吸收損耗α —然后在激光量熱測量技術和裝置基礎上， 引入表面熱透鏡測量技術。相關具體步驟為將未聚焦的探測激光光束與深紫外加熱激光光束共軸或傍軸地入射到被測深紫外光學元件的加熱表面，兩激光光束中心在光學元件被照射表面重合。使用光電探測器測量從被測深紫外光學元件被照射表面反射的探測激光光束中心光強的變化。用數據存儲示波器或數據采集卡記錄探測光光束中心光強的最大變化量Δ ο和中心光強在深紫外加熱激光光束照射前的直流信號Ιο，得到加熱激光光束照射過程中探測激光光束中心光強的最大相對變化Δ&= Δ IciAci，即表面熱透鏡信號，并用激光量熱技術測量得到的吸收損耗絕對值α ^對表面熱透鏡信號進行定標，得到表面熱透鏡信號對應的吸收損耗值的標定系數C = Δ Stl/ α…通過定標的表面熱透鏡信號具有確定吸收損耗絕對值的功能。再通過記錄加熱激光光束照射過程中表面熱透鏡信號隨時間的實時變化曲線Δ S (t)，由此得到被測深紫外光學元件吸收損耗的實時變化曲線α (t)= CX AS(t)，用于監測被測深紫外光學元件吸收損耗的實時變化及其性能穩定性。同時，通過采用熒光收集光學系統收集、單色儀分光和高速光電陣列探測器探測，得到被測深紫外光學元件由于深紫外激光光束照射產生的熒光強度、光譜分布及其不同譜線或譜帶熒光強度的時間衰減特性，以及這些參數在深紫外激光照射情況下的實時變化情況，為分析評估被測深紫外光學元件在深紫外激光照射條件下的性能穩定性提供測試數據。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)本發明可同時測量深紫外光學元件的吸收損耗絕對值和激光誘導熒光強度及其光譜特性，用于監測深紫外光學元件在深紫外激光照射下光學性能的穩定性，一機多用， 節約了成本。(2)本發明可監測激光量熱技術測量光學元件吸收損耗過程中光學元件吸收損耗的動態變化過程，有利于提高吸收損耗的測量精度。
圖1為本發明采用表面熱透鏡技術的綜合測試裝置結構示意圖；圖加為采用本綜合測試裝置同時記錄的激光量熱信號的典型曲線；圖2b為采用本綜合測試裝置同時記錄的表面熱透鏡信號的典型曲線；圖3為采用本綜合測試裝置同時記錄的激光誘導熒光的典型光譜圖；圖4為本發明采用透射式熱透鏡技術的綜合測試裝置結構示意圖； 圖5為本發明采用光熱偏轉技術的綜合測試裝置結構示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明采用表面熱透鏡技術的綜合測試裝置由深紫外準分子激光光源1、光束整形系統2、電控可變光衰減器3、聚焦透鏡4、電動光學快門5、激光功率計6、探測激光光源7、反射鏡8、絕熱樣品室9、被測樣品夾具及被測深紫外光學元件樣品10，參考樣品夾具及參考樣品11，靈敏溫度探測單元12，熒光收集光學系統13，窄帶光學濾光片14， 耦合光纖15，單色儀16，熒光光電探測器件17，小孔光闌18，光電探測器19，橋式放大電路 20，A/D轉換器21和22，計算機23，反射鏡M和光吸收體25組成。當深紫外準分子激光光源的輸出波長低于200nm時，整個光路系統置于高純氮氣環境中。深紫外準分子激光光源1的輸出光束經光束整形系統2整形和電控可變光衰減器3調節功率后由聚焦透鏡4聚焦到放置在絕熱樣品室9內的被測深紫外光學元件10表面。深紫外準分子激光光源1的功率由計算機23控制電控可變光衰減器3調節，并由電動光學快門5反射到激光功率計6 測量。透過和從被測深紫外光學元件10反射的深紫外準分子激光束經反射鏡M轉向后由光吸收體25吸收。光學元件因吸收加熱激光束能量而溫度上升，同時表面因熱膨脹產生變形，形成表面熱變形。被測深紫外光學元件10的溫度上升由靈敏溫度探測單元12測量，并通過另一靈敏溫度探測單元同時測量參考樣品11的溫度和使用橋式放大電路20消除環境溫度漂移影響。消除了環境溫度漂移影響的溫度信號AT(t)經A/D轉換器21模數轉換后送入計算機23數據處理，得到被測深紫外光學元件10的吸收損耗絕對值。另外，從探測激光光源7輸出的光束經反射鏡8轉向后入射到被測深紫外光學元件10表面被加熱激光束 (即深紫外準分子激光光源1的輸出光束)照射的相同區域，從該表面反射的探測激光束經反射鏡8轉向后，光斑中心部分光束穿過小孔光闌18后由光電探測器19探測，被測深紫外光學元件10因表面熱變形導致反射探測激光束中心光強降低，通過光電探測器19探測中心光強的直流量I (t)及其變化量Δ I (t)，經A/D轉換器22模數轉換后送入計算機23數據處理，得到被測深紫外光學元件 ο的表面熱透鏡信號Asa) = Δ α)/ια)。表面熱透
7鏡信號的實時變化則反映了被測深紫外光學元件10吸收損耗的實時變化及光學性能穩定性。激光量熱技術通過測量被測深紫外光學元件10因吸收深紫外加熱激光光束能量而產生的溫度上升來確定被測深紫外光學元件10的吸收損耗絕對值大小。國際標準 IS011551中規定，測量過程應包括照射前(至少30秒)、照射(5至300秒)和冷卻(至少 200秒)三個過程。照射和冷卻過程中被測樣品(深紫外光學元件10)的溫度變化分別為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分別是樣品夾具及被測深紫外光學元件10的有效熱容量、被測深紫外光學元件10的吸收損耗、深紫外加熱激光光束功率和熱損失系數，ti和t2分別是深紫外加熱激光光束照射開始和結束時的時間，A，B為實驗參數。通過(1)、(2)式擬合測量溫度曲線(如圖2 (a)所示，橫坐標Time為時間，單位seconds為秒，左縱坐標"Temperature rise為上升溫度，單位mK，右縱坐標Power為功率，單位為W。Measurement代表測量值，Fit 代表擬合值，Absolute A代表絕對吸收損耗值)得到A、B和Y，從而得到被測深紫外光學元件10的絕對吸收損耗
權利要求
1.一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于步驟如下(1)將一聚焦的深紫外重復脈沖激光束，重復頻率不低于10Hz，即加熱激光光束照射到一放置在絕熱樣品室內的深紫外光學元件表面中心位置附近，深紫外光學元件因吸收加熱激光束能量導致溫度上升，同時深紫外光學元件產生表面熱變形并在內部產生折射率梯度，并產生熒光發光；(2)采用溫度測量元件直接接觸深紫外光學元件表面測量深紫外光學元件溫度變化， 記錄加熱激光光束照射前、照射過程中、以及照射后即冷卻過程深紫外光學元件的溫度變化信號AT(t)，采用光學元件吸收損耗測試方法的國際標準IS011551激光量熱技術中推薦的步驟處理溫度變化數據，所述溫度變化信號Δτα)得到深紫外光學元件的吸收損耗絕對值α Q ；(3)同時使用功率在毫瓦或亞毫瓦量級的連續激光束，即探測激光光束入射到深紫外光學元件被加熱激光光束照射的相同表面區域，用一小孔光闌和光電探測器組合測量從深紫外光學元件表面反射的探測激光光束的最大中心光強變化AItl以及照射前探測激光光束的中心光強直流值Itl,得到加熱激光光束照射過程中探測激光光束中心光強的最大相對變化Δ&= Δ IciAci，稱為表面熱透鏡信號，并用步驟⑵中得到的吸收損耗絕對值％對表面熱透鏡信號進行定標，得到表面熱透鏡信號對應的吸收損耗值的標定系數C = Δ Stl/α ^記錄加熱激光光束照射過程中表面熱透鏡信號隨時間的實時變化曲線AS(t)= Δ I(t)/I0, AI(t)為探測激光光束的最大中心光強實時變化量，由此得到深紫外光學元件吸收損耗的實時變化曲線α (t) =CXAS(t)；(4)同時在絕熱樣品室內使用熒光收集光學系統收集深紫外光學元件在深紫外加熱激光光束照射時產生的熒光，通過耦合光纖耦合進入光譜測量儀器測量深紫外光學元件產生的熒光強度及其光譜分布；記錄加熱激光光束照射過程中熒光信號隨時間的實時變化曲線 AF(t)，由此得到深紫外光學元件熒光強度及光譜分別布的實時變化情況。
2.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述步驟( 中的數據處理方法為根據國際標準IS011551中推薦的溫度變化數學模型擬合加熱激光光束照射前、照射過程中、以及照射后(即冷卻過程)深紫外光學元件的溫度變化信號Δτα)得到吸收損耗絕對值。
3.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的加熱激光光束和探測激光光束的中心位置在被測深紫外光學元件表面重合，并且在被測深紫外光學元件表面位置探測激光光束的光斑尺寸是加熱激光光束的2倍以上。
4.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的小孔光闌和光電探測器組合中的小孔光闌位于光電探測器探測面之前，且小孔光闌的口徑小于加熱激光光束在被測深紫外光學元件表面位置的光斑尺寸。
5.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的探測激光光束相對于被測深紫外光學元件表面的入射角范圍為0-60度，并且在垂直入射時使用偏振分光技術分離入射和原光路反射的探測光光束。
6.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的步驟(3)中也可以通過測量透過被測深紫外光學元件的探測光光束的最大中心光強變化Δ ο以及照射前探測激光光束的中心光強直流值Itl,再按步驟C3)所述的步驟記錄和標定Δ&= Δ IciAci，稱為透射式熱透鏡信號，得到被測深紫外光學元件吸收損耗的實時變化曲線。
7.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的步驟(3)中也可以通過采用位置敏感光電探測器測量透過深紫外光學元件的聚焦探測光光束由于內部折射率梯度引起的光束方向變化量Δφο，再按步驟⑶所述的步驟記錄和標定其對應的電流或電壓信號△&，稱為光熱信號，得到深紫外光學元件吸收損耗的實時變化曲線。
8.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的步驟中的熒光收集光學系統可以為一單一聚焦透鏡或反射式物鏡，也可以為由多個透鏡或反射式物鏡組成的光收集系統。
9.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的步驟中在熒光收集光學系統和耦合光纖輸入端之間插入中心波長為加熱激光波長的窄帶濾光片阻止加熱激光波長的光進入耦合光纖。
10.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 所述的步驟中用于探測熒光強度的探測單元為具有納秒級時間分辨能力的高速光電探測器件，比如帶像增強的CXD陣列探測器。
11.根據權利要求1所述的一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，其特征在于 當深紫外激光器輸出波長低于200nm時，綜合測試裝置的整個光路系統均置于高純氮氣環境中。
全文摘要
一種深紫外光學元件穩定性的綜合測試方法，采用激光量熱技術測量深紫外光學元件的吸收損耗絕對值并對光熱信號幅值定標，采用光熱技術監視深紫外光學元件在深紫外激光照射過程中深紫外光學元件吸收損耗的實時變化，采用激光誘導熒光技術測量深紫外光學元件在深紫外激光照射過程中的熒光光譜及其實時變化，通過測量深紫外光學元件在深紫外激光照射過程中吸收損耗和熒光光譜的實時變化監測深紫外光學元件性能的穩定性。
文檔編號G01M11/02GK102175427SQ20101062388
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者李斌成 申請人:中國科學院光電技術研究所