一种深紫外光学元件光学性能的综合测试方法

摘要

本发明提供一种深紫外光学元件光学性能的综合测试方法，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，采用激光诱导荧光光谱技术测量深紫外光学元件在深紫外激光照射下的荧光光谱，采用拉曼光谱技术测量深紫外光学元件材料的缺陷能级、掺杂组分及杂质的含量。通过测量深紫外光学元件在深紫外激光波长的吸收损耗特性、荧光光谱特性及拉曼光谱特性评估深紫外光学元件的综合光学性能，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、荧光光谱和拉曼光谱的实时变化监测深紫外光学元件性能的稳定性。在同一测量装置中测量深紫外光学元件的光学特性参数和实时监测深紫外光学元件在深紫外激光照射过程中光学特性的变化。

说明书

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，特别是一种深紫外光学元件光学性 能的综合测试方法，其可以进行深紫外光学元件光学性能及其稳定性的测试。

背景技术

在超大规模集成电路制造工艺中，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（ArF）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（氟化镁、氟化铝、氟化镧等）、氧 化物（氧化铝、氧化硅等）薄膜材料，由这些材料制备的深紫外光学元件不仅其在193nm波 长的光学性能与材料的纯度和掺杂、杂质含量、吸收特性等诸多因素有关，而且在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 测深紫外光学元件的光学性能及其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。

深紫外光学元件的光学性能不仅与其吸收特性相关，而且与其在深紫外光照射时产生的 荧光光谱特性和拉曼光谱特性有关。而深紫外光学元件光学性能的稳定性则与其吸收特性、 荧光光谱特性和拉曼光谱特性在深紫外激光照射时的实时变化直接相关。目前测量光学元件 吸收损耗的国际标准是激光量热法（ISO11551:2003(E)–Test methodfor absorptance of optical  laser components），激光量热法直接测量光学元件吸收损耗值，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。另外，激光诱导荧光光谱技术和拉曼光谱技术是测量深 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 激光诱导荧光和拉曼散射光强度及其光谱特性与深紫外光学材料内的掺杂和杂质含量、缺陷 能级、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 产生的荧光和拉曼散射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光学性能及其稳定性。

目前通常采用独立的激光量热技术、激光诱导荧光光谱技术和拉曼光谱技术对深紫外光 学元件的性能进行测量和评估。中国专利申请“一种深紫外光学元件稳定性的综合测试方法” （专利申请号201010623885.2，申请公布日2010.09.07）提出了集成激光量热技术、光热 技术和激光诱导荧光光谱技术的综合测试技术对深紫外光学元件的稳定性进行综合测量，其 虽然能同时确定深紫外光学元件的吸收特性和荧光光谱特性在深紫外激光照射下的实时变 化情况，但不能同时测量深紫外光学元件内H2含量的变化情况。而W.Triebel等人虽然提出 了一种深紫外光学元件的激光诱导荧光光谱和拉曼光谱的集成测量装置（W.Triebel,S. Bark-Zollmann,C.Muehlig,et al;“Evaluation of fused silica for DUV laser  applications by short time diagnostics”,Proc.SPIE 4103(2000)），但该装置中使用 了两种不同波长的激光器分别激发荧光和拉曼散射光，不能实现荧光光谱和拉曼光谱的同时 和在位测量。

发明内容

本发明要解决技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种深紫外光学元件光学性能的 综合测试方法，该方法能同时测量和实时监测深紫外光学元件的光学性能及其在深紫外激光 照射条件下吸收损耗、激光诱导荧光光谱和拉曼光谱的实时变化特性的综合测试，为综合评 估深紫外光学元件的光学性能及其稳定性提供技术手段。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种深紫外光学元件光学性能的综合测试 方法，其特征在于步骤如下：

步骤（1）、将一窄线宽深紫外重复脉冲激光器（线宽低于2pm、重复频率高于10Hz） 输出的激光束聚焦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 外光学元件因吸收激光束能量导致温度上升，同时深紫外光学元件产生荧光发光和拉曼散射 发光；

步骤（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，记录深紫 外激光光束照射前、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ΔT(t)，采用激光量热技术的数据处理方法处理温度变化信号ΔT(t)得到深紫外光学元件的吸 收损耗值α₀；

步骤（3）、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；记录深紫外激光光束照射过程中荧光信号随时间的实时变化曲线ΔF(t)， 由此得到深紫外光学元件荧光强度及光谱分布的实时变化情况；

步骤（4）、在绝热样品室内使用另一散射光收集光学系统收集深紫外光学元件在深紫外 激光光束照射时产生的拉曼散射光，通过耦合光纤耦合进入高分辨光谱测量仪器测量深紫外 光学元件产生的拉曼散射光强度及其光谱分布；记录深紫外激光光束照射过程中拉曼散射光 信号随时间的实时变化曲线ΔR(t)，由此得到深紫外光学元件拉曼散射光强度及光谱分布的实 时变化情况；

所述步骤（1）中的窄线宽深紫外重复脉冲激光器为窄线宽、高重复频率的准分子激光 器（如KrF（248nm）、ArF（193nm）、F2（157nm）激光器等）或深紫外全固态激光器（如 YAG激光器四、六倍频输出、Ti：Sapphire激光器四倍频输出等）。

所述步骤（2）中的数据处理方法为：根据国际标准ISO11551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ΔT(t)得到吸收损耗值。

所述的步骤（3）和（4）中的荧光收集光学系统和散射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（3）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深紫外 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并达到光电探测单元。

所述的步骤（3）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，如高灵敏的或带像增强的CCD阵列探测器。

所述的步骤（4）中所用的高分辨光谱测量仪器分辨率应优于1cm^-1（波数分辨率）或5pm （波长分辨率）。

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：参考国际标准ISO11551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α₀。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；通过采用拉曼散射光收集光学系统收集、高分辨光谱仪测量得到被测 深紫外光学元件由于深紫外激光光束照射产生的拉曼散射光强度、光谱分布及其不同谱线或 谱带拉曼散射光强度的时间特性，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的光学性能及其在深紫外激光照射条件下的稳定性提供测 试数据。为了同时获得量热信号、荧光光谱信号和拉曼光谱信号，测试装置中采用光谱线宽 低于2pm的窄线宽深紫外激光器作激发光源。

本发明与现有技术相比具有如下优点：可同时测量深紫外光学元件的吸收特性、荧光光 谱特性以及拉曼光谱特性，用于分析评估深紫外光学元件的光学性能并实时监测深紫外光学 元件在深紫外激光照射下光学性能稳定性，一机多用，节约了成本；并且测量数据来源于被 测光学元件的同一测试位置，为分析深紫外光学元件的吸收特性、荧光光谱特性和拉曼光谱 特性之间的关联性提供了准确的测量数据。

附图说明

图1为本发明采用耦合光纤耦合传输拉曼散射光的综合测试装置结构示意图；

图2为采用本综合测试装置测量的深紫外光学元件的典型激光量热信号及吸收特性随准 分子激光照射剂量的关系曲线；图2（a）为实测温度变化信号及通过（1）、（2）式拟合测量 温度曲线，图2（b）为紫外级融石英材料在193nm激光照射下吸收损耗随照射剂量的变化趋 势图；

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为采用本综合测试装置同时记录的拉曼光谱的典型光谱图；

图5为本发明采用直接传输拉曼散射光的综合测试装置结构示意图；

图6为本发明采用同一光收集系统同时收集荧光和拉曼散射光的综合测试装置结构示意 图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明采用耦合光纤耦合传输拉曼散射光的综合测试装置由窄线宽深紫外 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、绝热样品室7、被测样品夹具及被测深紫外光学元件样品8、参考样品夹具及参考样 品9、灵敏温度探测单元10、桥式放大电路11、A/D转换器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、拉曼散射光收集光学系 统18、高分辨光谱仪19、计算机20，反射镜21和光吸收体22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7内的被测深紫外光学元件8表面。深紫外准分子激光光源1的功率由计 算机20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8反射的深紫外准分子激光束经反射镜21转向后由光吸收体22 吸收。被测深紫外光学元件8因吸收照射激光束能量而温度上升，其温度上升由灵敏温度探 测单元10测量，并通过另一灵敏温度探测单元同时测量参考样品19的温度和使用桥式放大 电路11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ΔT(t)经A/D转换器12 模数转换后送入计算机20数据处理，得到被测深紫外光学元件8的吸收损耗值。

激光量热技术通过测量被测深紫外光学元件8因吸收深紫外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8的吸收损耗值。国际标准ISO11551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8）的温度变化分别为：

ΔT(t)＝A{1-exp[-γ(t-t₁)]}，(t₁≤t≤t₂)    （1）

ΔT(t)＝ΔT(t₂)+B{1-exp[-γ(t-t₂)]}，(t≥t₂)    （2）

其中C_eff、α、P、γ分别是样品夹具及被测深紫外光学元件8的有效热容量、被测深紫外 光学元件8的吸收损耗、深紫外激光光束功率和热损失系数，t₁和t₂分别是深紫外激光光束 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）得到A、B和γ，从而得到被测深紫外光学元件8的吸收损耗：

$\alpha =\frac{f_c\gamma C_{\mathrm{eff}}A}{P}---\left(3\right)$

（3）式中的功率P由激光功率计6测量，f_c为实验定标因子，通过测量已知吸收值的标 准样品确定。图2（b）为紫外级融石英材料在193nm激光照射下吸收损耗随照射剂量的变化 趋势图，反映了紫外级融石英材料在193nm激光照射下的光学性能衰减特性。

被测深紫外光学元件8在深紫外准分子激光光束照射时同时将产生荧光和拉曼散射光， 荧光的强度、光谱特性和时域特性以及拉曼散射光的强度和光谱特性与深紫外准分子激光波 长、被测深紫外光学元件8的材料及内部掺杂和杂质含量、深紫外准分子激光照射形成的色 心等因素有关。而这些因素将直接影响被测深紫外光学元件8的光学性能及其稳定性和使用 寿命。在深紫外光学元件光学特性的综合测试装置中，使用荧光收集光学系统13收集被测 深紫外光学元件8在深紫外准分子激光光束照射时产生的荧光，通过耦合光纤15传输进入 光谱测量仪器（由单色仪16和光电探测单元17组成）测量被测深紫外光学元件8产生的荧 光强度及其光谱分布。为了消除深紫外准分子激光对荧光光谱测量的影响，在荧光收集光学 系统13和耦合光纤15之间插入中心波长为深紫外准分子激光波长的窄带光学滤光片14阻 止深紫外准分子激光进入单色仪16。光电探测单元17一般为高速阵列光电探测器件，比如 带像增强的CCD阵列探测器。由光电探测单元17得到的荧光光谱由计算机20记录和处理。 图3为记录的紫外级融石英在193nm激光照射时的典型荧光光谱图。在深紫外准分子激光光 束照射被测深紫外光学元件8过程中记录荧光信号随时间的实时变化曲线ΔF(t)，由此得到被 测深紫外光学元件8的荧光强度和光谱分布及其实时变化情况。

同样，使用拉曼散射光收集被测深紫外光学元件8在深紫外准分子激光光束照射时产生 的拉曼散射光，通过耦合光纤15传输进入高分辨光谱测量仪器18测量被测深紫外光学元件 8产生的拉曼散射光强度及其光谱分布，并由计算机20记录和处理。图4为记录的紫外级融 石英材料的典型拉曼散射光谱图。在深紫外准分子激光光束照射被测深紫外光学元件8过程 中记录拉曼散射光信号随时间的实时变化曲线ΔR(t)，由此得到被测深紫外光学元件8的拉曼 散射光强度和光谱分布及其实时变化情况。

在深紫外光学元件光学特性的综合测试装置中，拉曼散射光也可以通过光学窗口直接耦 合到高分辨光谱测量仪器中，其结构示意图如图5所示。在此实施例中，收集的拉曼散射光 直接通过窗口23耦合进入高分辨光谱测量仪器19中进行测量。同样，荧光也可以通过光学 窗口直接耦合到光谱测量仪器中。

在深紫外光学元件光学特性的综合测试装置中，激光诱导的荧光和拉曼散射光也可以通 过同一收集光学系统先收集，然后分光并分别测量，其结构示意图如图6所示。在此实施例 中，由单一收集光学系统收集的荧光和拉曼散射光通过光纤耦合出绝热样品室后，由透镜24 准直，分光镜25分光后，由透镜17和26分别聚焦到两台光谱测量仪器（16和17、19）中 进行测量。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员 来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显 而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。