一种汞灯灯室的光学特性测试装置及其测试方法

摘要

本发明提供一种汞灯灯室的光学特性测试装置及其测试方法，属于光学测量领域。汞灯灯室的光学特性测试装置包括：外壳，依次顺序置于外壳里面的小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜和四象限探测器，以及定位于外壳中的刀片和准直激光器。本发明所提供测试装置与常规定位装置的结合使用，可以实现对汞灯灯室焦距、焦点功率、焦点光强分布三个光学特性参数测试。

说明书

技术领域

本发明属于光学测量装置领域，具体涉及一种汞灯灯室的光学特性测试装置及其测试方法。

背景技术

光刻法(亦称微光刻法)用于制造半导体器件，光刻法使用不同波段的光波，如紫外、深紫外、或可见光，在硅片上投影产生精细的光刻图案，进一步通过刻蚀等工艺方法在硅片上形成精细特征图案，因此，光刻法是半导体器件生产的关键环节。光刻法使用的光源除了准直激光器外，还有短弧汞灯，因此汞灯灯室的光学特性参数对光刻机中的照明分系统的装配与调试是十分重要的。其中汞灯灯室的光学特性参数包括数值孔径、焦距、焦点功率、焦点光强分布四个，能够精确测得所述的汞灯灯室光学参数，有利于在光刻机集成阶段顺利展开照明分系统的调试。

目前，绝大多数用于光刻机汞灯灯室的结构形式如图1所示，汞灯1的短弧位于椭球反射镜的第一焦点F1，椭球反射镜2将汞灯发出的光会聚于第二焦点F2，F2一般是照明分系统与灯室的接口。通常，汞灯灯室具有如下特殊性：(1)测试的光学参数必须是在汞灯开启时才有意义；(2)汞灯一般只开启一次，长期点亮，第二次开启汞灯性能会急剧下降；(3)汞灯功率大，可达数千瓦特；(4)汞灯的发光电弧虽然可以看作是点光源，但由于椭球反射镜轴向放大缘故，第二焦点处不再是点光源。根据汞灯的光学特性，汞灯的光学参数测试装置一般要求适应开灯测试、大功率以及非点光源的测试条件，因此汞灯的光学参数测试比一般的光学测试难度大，如果利用常规的光学测试方法及其装置，无法完成测试。本专利提出一种能够用来测试汞灯灯室光学特性的焦距、焦点功率、焦点光强分布三种光学参数的测试装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够适应开灯测试、大功率、非点光源测试条件的汞灯灯室光学特性参数测试装置，并提出实现汞灯灯室的焦距、焦点功率、焦点光强等光学参数的测试方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种测试装置，用于汞灯灯室数值孔径、焦距、焦点功率、焦点光强分布四个光学特性参数测试，测试装置包括：外壳，依顺序置于外壳里面的小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜和四象限探测器，以及固定于置外壳中的准直激光器；第一聚光镜与第二聚光镜平行放置，第一聚光镜的中心与第二聚光镜的中心之间的连线定位为测试装置的光轴，所述光轴垂直于第一聚光镜与第二聚光镜；第一衰减片置于第一聚光镜与第二聚光镜之间，第一衰减片与第一聚光镜面、第二聚光镜面之间的夹角均为45度；准直激光器垂直于测试装置的光轴，准直激光器的激光投射直线、衰减片以及测试装置的光轴三者交于一点；四象限探测器垂直于测试装置的光轴，四象限探测器的中心定位于测试装置的光轴；小孔光阑垂直于所述光轴，小孔光阑的中心定位于测试装置的光轴。

作为较佳技术方案，所述测试装置还包括用于探测从小孔光阑透射过来的圆形光斑的边沿光线的刀片；所述刀片置于外壳上并定位于小孔光阑与第一聚光镜之间；所述刀片包括上刀片和下刀片，上刀片和下刀片都垂直于所述光轴并且都可以沿所述测试装置的光轴的垂直方向移动，上刀片和下刀片均带有用来记录垂直方向移动距离的刻度装置；所述上刀片的下刀刃和下刀片的上刀刃均为向内圆弧状。

根据本发明所提供的汞灯灯室的光学特性测试装置，其中，所述测试装置还包括置于第二聚光镜和四象限探测器之间的第二衰减片。所述第二衰减片垂直于所述光轴，第二衰减片的中心定位于测试装置的光轴。

根据本发明所提供的汞灯灯室的光学特性测试装置，其中，所述四象限探测器可以沿所述测试装置的光轴方向平行移动。所述四象限探测器还包括可以遮拦在四象限探测器上的遮拦片。所述第一聚光镜与第二聚光镜的直径相同，第一聚光镜与第二聚光镜的光学参数相同。

根据本发明提供的汞灯灯室光学特性参数测试装置提出的一种测试测试汞灯灯室的光学参数的方法，包括步骤：

(1)提供用于空间定位所述测试装置的定位装置以及汞灯灯室，测试装置固定于定位装置之上，调整定位装置，使测试装置的光轴与汞灯灯室的光轴重合；

(2)通过定位装置，使测试装置沿光轴移动，探测处最大光强处即为汞灯灯室的第二焦点，计算得出汞灯灯室的焦距参数；

(3)选择第二焦点处汞灯灯室的光线能量能通过小孔的小孔光阑装于测试装置并置于汞灯灯室的第二焦点处，将四象限探测器置于第二位置，四象限探测器探测出从汞灯灯室发出的、依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜后的光线的总功率，通过总功率值除以衰减率得出焦点功率；通过不同形状的遮拦片实现对四象限探测器不同区域的光线遮拦，测出不同区域的焦点光强分布；

其中，所述第二位置为光线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜后投影到第四象限探测器后光线发生聚焦的位置。

作为较佳技术方案，在步骤(3)之后还包括步骤：(4)通过定位装置，使测试装置的小孔光阑置于汞灯灯室的第二焦点处，将四象限探测器置于第一位置，调整垂直于光轴的、与小孔光阑平面距离为L的上刀片和下刀片，当四象限探测器接收到探测到能量减少时，停止调整上刀片和下刀片，进一步测出上刀片和下刀片之间的距离D，根据公式计算得出数值孔径参数；

根据本发明所提供的测试汞灯灯室的光学特性的方法，其中，所述第一位置也可以为边缘光线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜、第二衰减片后投影到第四象限探测器后边缘光线不发生交叉的位置，所述第二位置也可以为光线依次经过小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜、第二衰减片后投影到第四象限探测器后光线发生聚焦的位置。

本发明的技术效果是：汞灯灯室的第二焦点的光线依次通过测试装置的小孔光阑、第一聚光镜、第一衰减片、第二聚光镜、第二衰减片，投射于四象限探测器；由于衰减片的能实现对光线强度的衰减作用，使测试装置适合大功率的汞灯灯室的测试；通过小孔光阑的孔径的变化以及四象限探测器的位置变化，使测试装置适合非点光源的汞灯灯室的测试；同时装置适合于汞灯灯室开灯测试。通过本发明所提供测试装置，并将测试装置置于带有尺寸刻度的导轨和在导轨上滑动的三维移动台的定位装置上，可以实现对汞灯灯室的焦距、焦点功率、焦点光强分布三个光学特性参数测试，并在进一步的较佳技术方案中，进一步可通过置于外壳上并定位于小孔光阑与第一聚光镜之间的刀片探测从小孔光阑发射过来的圆形光斑的边沿光线，实现对汞灯灯室的数值孔径光学特性参数测试。

附图说明

图1是汞灯灯室结构示意图；

图2是本发明实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结构图；

图3是本发明又一实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结构图；

图4是本实施例测试装置测试汞灯灯室光学特性时所应用的定位装置图；

图5是本实施例汞灯灯室的光学特性测试装置的光轴与灯室的光轴对准示意图；

图6是汞灯灯室的第一焦点F1和第二焦点F2的光强分布；

图7是本实施例测试装置测试汞灯灯室的焦点功率和焦点光强分布示意图；

图8是系列遮拦片示意图；

图9是本实施例测试装置测试汞灯灯室的数值孔径示意图；

图10是刀片形状示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图2所示为本发明实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结构图，这种测试装置用来测试汞灯灯室的数值孔径、焦距、焦点功率、焦点光强分布四种光学参数。如图2所示，汞灯灯室的光学特性测试装置包括外壳9，依次顺序置于外壳里面的小孔光阑10、第一聚光镜11、第一衰减片13、第二聚光镜12、第二衰减片14和四象限探测器17，以及固定于外壳中的准直激光器18。其中，第一聚光镜11与第二聚光镜12平行放置，第一聚光镜11的中心与第二聚光镜12的中心之间的连线定位为汞灯灯室的光学特性测试测试装置的光轴，所述光轴垂直于第一聚光镜11与第二聚光镜12，第一聚光镜11和第二聚光镜12可以为双凸面凸镜也可以为单凸面凸镜，本实施例优选为单凸面聚光镜，并且两者的凸面相对放置，第一聚光镜11与第二聚光镜12具有相同的直径及光学参数，两者之间的间距由聚光镜11和12的光学参数决定，经过小孔光阑的光线再经过第一聚光镜11与第二聚光镜12后，能实现光线在一定范围集聚。第一衰减片13与第一聚光镜面11和第二聚光镜12之间夹角均为45度，第一衰减片13的中心定位于测试装置的光轴。准直激光器18垂直于测试装置的光轴定位于外壳9中，准直激光器18的激光投射直线能恰好对准第一衰减片13的中心，因此准直激光器18的激光投射直线、衰减片13以及测试装置的光轴三者交于一点。第二衰减片14与测试装置的光轴垂直，其中心定位于测试装置的光轴，第一衰减片13和第二衰减片14均用来对光线衰减，从而使本装置适用于大功率的汞灯灯室的光学特性测试。四象限探测器与测试装置的光轴垂直，并且四象限探测器17的中心定位于测试装置的光轴，经过第一聚光镜11和第二聚光镜12的光线投射于四象限探测器17上，四象限探测器17可以沿测试装置的光轴的方向移动，本实施例中四象限探测器17优选放置于如图2所示中的位置一15或位置二16，四象限探测器17放置于位置二16时，经过第一聚光镜11和第二聚光镜12的光线成像于四象限探测器17上，位置二16为成像位置，四象限探测器17放置于位置一15时，经过第一聚光镜11的上下边沿光线投影于四象限探测器17上不会发生交叉。四象限探测器17还包括可以用来放置于四象限探测器上的遮拦片(图中未示出)，用来定义四象限探测器接受光线投射的区域，根据不同投射区域的需要，可以选择不同形状的遮拦片。小孔光阑10垂直于测试装置的光轴，小孔光阑10的中心定位于测试装置的光轴，根据测试需要，可以更换不同孔径的小孔光阑10。

图3所示为本发明又一实施例的汞灯灯室的光学特性测试装置的剖面结构图。结合2和图3所示，图3实施例相对图2实施例的主要区别在于：测试装置还包括置于外壳上并定位于小孔光阑10与第一聚光镜11之间的上刀片19、下刀片20。上刀片19和下刀片20具有相同形状和尺寸参数，上刀片19和下刀片20上下对称装于外壳9上，都垂直于测试装置的光轴，上刀片19和下刀片20可沿垂直于测试装置的光轴方向移动，并可通过刀片上的刻度装置记录移动的距离，所述上刀片的下刀刃和下刀片的上刀刃均为向内圆弧状。通过上刀片19和下刀片20的上下垂直移动可以根据测试需要实现对小孔光阑10透射过来的圆形光斑的光线的遮拦，结合四象限探测器17上的能量的变化，因此刀片可以用于探测从小孔光阑10透射过来的圆形光斑的边沿光线的刀片。

以下结合图4至图10具体说明本实施例测试装置的光学特性测试方法。

第一步骤，提供用于空间定位测试装置的定位装置。

图4所示为用本实施例测试装置测试汞灯灯室光学特性时所应用的定位装置示意图，如图3所示，定位装置包括带有尺寸刻度的导轨4、在导轨上滑动的三维移动台5，测试装置6固定置于三维移动台5上。其中7是汞灯灯室，8是汞灯灯室的外壁。通过导轨4和在导轨上滑动的三维移动台5，可实现测试装置6的空间定位。

第二步骤，调整定位装置，使定位装置上的测试装置的光轴与汞灯灯室的光轴重合。

图5所示为本实施例汞灯灯室的光学特性测试装置的光轴与灯室的光轴对准示意图。根据光学特性测试，为实现准确测量，在所有的测试之前，测试装置的光轴与灯室的光轴必须对准。本发明装置提供了这一功能，结合图3和图4所示，光轴对准前，使导轨4的前端与灯室外壁8接触，使导轨大致与灯室光轴21平行。点亮准直激光器18，准直激光束22射向45度倾斜的衰减片13，经衰减片13反射后，由于准直激光器18的激光束投射直线、衰减片13以及测试装置的光轴三者的交点重合，出射的激光束23与测试装置的光轴24重合，出射的激光束23经过小孔光阑10后射向灯室的出射窗口玻璃25。灯室的光轴21垂直于出射窗口，调整三维移动台5使出射的激光束23打在灯室的出射窗口玻璃25中心并按原路反射形成图4所示反射光束26，反射光束26通过小孔光阑10、第一聚光镜11、第一衰减片13、第二聚光镜12、第二衰减片14，最后投射在四象限探测器17上，此时，四象限探测器17处于位置一15。如果四象限探测器17的每个象限所探测的功率大体一致，则可以判断测试装置的光轴24是与灯室的光轴21重合。

第三步骤，测试汞灯灯室的焦距参数。

图6所示为汞灯灯室的第一焦点F1和第二焦点F2的光强分布。由于汞灯灯室的椭球反射镜轴向放大的缘故，在F1近似点光源的汞灯发光电弧成像到F2后，沿光轴方向的光强分布不再像F1处那样尖锐。在实现装置的光轴对准以后，更换成小孔直径为0.1～0.5毫米的小孔光阑10，结合图3所示，汞灯灯室光学特性装置6在导轨4上移动，在F2附近沿光轴进行光强扫描，探测到最大光强处则为F2位置，从导轨的刻度可读出灯室出射窗到F2的距离，这段距离即为灯室的焦距，从而实现灯室的焦距测量。

第四步骤，测试汞灯灯室的焦点功率和焦点光强分布。

图7所示为本实施例测试装置测试汞灯灯室的焦点功率和焦点光强分布示意图。如图7所示。首先，更换小孔直径为20毫米的小孔光阑10，小孔光阑10置于灯室的F2焦点处，四象限探测器17位于位置二16，此时小孔光阑10和四象限探测器17的位置是聚光镜11和聚光镜12所组成的成像系统的物像位置。进一步，小孔光阑20毫米径范围的焦点光斑(基本上集中了焦点F2的绝大部分能量)经过成像系统缩小成像到四象限探测器17上，探测器探17测到总的功率再除以成像系统的透过率就是汞灯灯室焦点F2的焦点功率。四个象限探测到的能量差异说明了焦点光强四个区域的分布特性。同时，为获得更详尽的焦点光强分布情况，可以使用如图8所示的一系列遮拦片遮拦在四象限探测器上。当遮拦片31遮拦于四象限探测器上时，它能遮拦每个象限的一半，因此使用遮拦片31与不使用遮拦片31的两次四象限探测器17的测试结果相减，可以得出八个区域的焦点光强分布值。同样，如果想得到十二个区域的光强值，可以使用遮拦片系列32，遮拦片系列32的每个遮拦片的透光区域相互之间没有交集，三个遮拦片的透光区域的总和就是四象限探测器面积，分别单独使用每个遮拦片可以得到每个象限一部分的光强值，因此通过三次使用遮拦片系列32的不同遮拦片，测试可以得出3×4＝12个区域的焦点光强分布。

第五步骤，测试汞灯灯室的数值孔径参数。

图9所述为本实施例测试装置测试汞灯灯室的数值孔径示意图。当测试汞灯灯室的数值孔径时，首先，更换成小孔直径为0.5～0.1毫米的小孔光阑(视测试精度要求而定)。结合图4和图9所示，通过调整定位装置的导轨4的位置，使测试装置的小孔光阑10位于汞灯灯室的F2焦点处，四象限探测器位于位置一15，四象限探测器置于位置一时，上边缘光线27、下边缘光线28投影于四象限探测器17上不会发生交叉。上边缘光线27、下边缘光线28分别投影到四象限探测器的第一象限29和第三象限30。进一步，使上刀片19垂直于光轴向下移动，上刀片19遮拦到上边缘光线27时，四象限探测器的第一象限29所探测能量将减少，同样，使下刀片20垂直于光轴向上移动，下刀片20遮拦到下边缘光线28时，四象限探测器的第三象限30所探测能量将减少，由此方法，可以确定上边缘光线27与下边缘光线28之间的距离，从刀片的刻度装置可读出该距离D，L是预先知道的小孔光阑到刀片的距离，数值孔径可由公式$\mathrm{NA}=\sin \left(\arctan \frac{D}{2L}\right)$计算得出。为了使四象限探测器17能更灵敏的探测到边缘光线，刀片的与汞灯光线相切的刀刃做成圆弧状，因为这样刀片能更大范围的与光线边缘相切。如图10所示为上刀片的形状示意图，其中圆弧段为下刀刃。

在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。