CN110927880B - 高稳定偏振保持合束装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种偏振保持合束装置，所述合束装置包括若干光源、N个单模保偏光纤、N个光纤准直器、光纤耦合器和合束棱镜；其中，若干光源分别发出不同波长的线偏振光，分别耦合入N个单模保偏光纤中传输，并经过N个光纤准直器后输出不同波长的线偏振准直光束并进入合束棱镜，经合束棱镜合束后，通过光纤耦合器耦合入单模保偏光纤中，再经过光纤准直器后输出包含不同波长的一束偏振准直光。本发明的高稳定偏振保持合束装置及方法，可将多束不同波长的线偏振光合成一束含不同波长的同轴输出光束，且多个波长光束的偏振态保持高度一致。

Description

高稳定偏振保持合束装置及方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种高稳定偏振保持合束装置及方法。

背景技术

信息技术的发展趋势遵循着摩尔定律、超摩尔定律和迈特卡夫定律。集成电路集成度的不断提高与不断发展的光刻技术紧密相连。可以从某种意义上讲，新一代集成电路的诞生代表了当时最先进的光刻技术。集成电路制造需要大量的光刻步骤，光刻通常约占生产成本的百分之三十。在光刻主要工艺过程中，对准和曝光是集成电路制造中最为重要的工艺环节，提高曝光图案的精细度和图案间的对准精度是极大规模集成电路制造的关键。对准和曝光方式和方法的发展就基本代表光刻技术的发展。

集成电路芯片在每次曝光或者说每曝一层图形都需要用一块掩模版，而每块掩模版在曝光前都需要和前面已曝光的图形进行对准后才能曝光，这样才能保证每一层图形有正确的相对位置，这称为套刻曝光，简称套刻。套刻是通过掩模硅片对准系统测出上次已完成曝光的硅片和掩模间的相对位置，通过工件台按一定的步进模型步进(或步进扫描)，完成对每一芯片的套刻。一般而言，套刻误差只允许在光刻分辨力的1/3-1/5之间。影响套刻误差的因素很多，主要来源包括掩模-硅片对准误差，工件台重复定位误差以及运动模型误差等。其中掩模-硅片对准误差一般只允许在套刻误差的1/3以内，可见掩模-硅片对准在光刻技术中的重要地位。

对准技术从早期的视频对准技术发展到明暗场、激光干涉、相位光栅等对准技术，对准方式也从早期的同轴对准发展到同轴+离轴的对准方式，对准精度由原来的微米级提高到了亚纳米级。为提高工艺适应性，对准系统中通常采用多个波长的照明光源，通过合束装置将多束单波长激光合成一束多波长激光。在合束过程中，需要控制光束的偏振态、多光束之间的同轴度。另外，为减小单模保偏光纤耦合效率的波动，从而减小探测器上的强度波动，提高对准精度，需保证合束装置的长期稳定可靠。

现有技术采用平面二向色镜进行不同波长的合束，主要应用于医疗、投影显示等领域，其对光束的偏振态及同轴度的要求不高，且平面二向色镜不易稳定夹持，透过光束传输方向存在偏移等问题，不易于光束位置之间的调整，也不利于保证单模保偏光纤耦合效率的稳定性。在光刻机多波长对准系统中，为保证不同波长测量结果的一致性并减小测量误差，需要严格控制合束前后光束的偏振态，并保证合束后多个波长激光光束的同轴度。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高稳定偏振保持合束装置及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种偏振保持合束装置，包括若干光源、N个单模保偏光纤、N个光纤准直器、光纤耦合器和合束棱镜；

其中，若干光源分别发出不同波长的线偏振光，分别耦合入N个单模保偏光纤中传输，并经过N个光纤准直器后输出不同波长的线偏振准直光束并进入合束棱镜，经合束棱镜合束后，通过光纤耦合器耦合入单模保偏光纤中，再经过光纤准直器后输出包含不同波长的一束偏振准直光。

所述N为大于等于2的自然数，优选为5。

所述合束棱镜包括五个直角棱镜，分别为第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、第四直角棱镜和第五直角棱镜，所述直角棱镜均为等边直角三角形，其中位于两侧的两个直角棱镜的直角边长均为L1，位于中间位置的三个直角棱镜的直角边长均为L2，两者满足如下关系：

所述五个直角棱镜之间通过胶水或光胶的形式胶合在一起，形成一个整体。

所述合束装置还包括机械外壳，所述合束棱镜通过胶水和机械外壳固定在一起。

其中，位于远离用于输出所述线偏振准直光的光纤准直器一侧的第一直角棱镜的靠近机械外壳短边的直角面和斜面均镀有增透膜；第二直角棱镜的斜面和与第三直角棱镜贴合的直角面镀有增透膜，与第一直角棱镜贴合的直角面镀有分色膜；第三直角棱镜的斜面和与第四直角棱镜贴合的直角面镀有增透膜，与第二直角棱镜贴合的直角面镀有分色膜；第四直角棱镜的斜面和与第五直角棱镜贴合的直角面镀有增透膜，与第三直角棱镜贴合的直角面镀有分色膜；第五直角棱镜的靠近机械外壳短边的直角面镀有增透膜，斜面镀有分色膜。

所述N个光纤准直器直接固定在机械外壳上，位于机械外壳外侧的光纤准直器和光纤耦合器具备X方向、Y方向和绕X方向、Y方向以及Z方向旋转的五个自由度，并都具有锁紧按钮。

所述偏振保持合束装置还包括光束质量分析仪，用于调节输出的偏振准直光的水平位置；

所述偏振保持合束装置还包括偏振态测量仪，用于调节输出的偏振准直光的偏振态沿竖直方向。

作为本发明的另一方面，还提供了一种高稳定偏振保持合束方法，包括以下步骤：

将单模保偏光纤分别与光源连接，使得单模保偏光纤的输出光强最大；

将单模保偏光纤分别与光纤准直器连接；

取下光纤耦合器，依次打开光源，使得光源所发出的光均能从光纤耦合器所在位置出射，关闭光源；

在光纤耦合器所在位置处放置光束质量分析仪；

依次打开各个光源的电源，监测光源的光束经过合束棱镜后输出光束的位置，通过光纤准直器调整X方向、Y方向和绕X轴方向及Y方向的旋转，使出射光束在光束质量分析仪指定的像元位置处；

关闭光源的电源，取走光束质量分析仪，在光束质量分析仪所在位置放置偏振态测量仪；

依次打开各个光源的电源，通过偏振态测量仪监测光源的光束经过合束棱镜后输出光束的偏振态，通过相应的光纤准直器沿Z方向旋转单模保偏光纤的方位，使输出光束的偏振态沿竖直方向；

重复所述调节光束质量分析仪和偏振态测量仪的步骤，确认光源光束经过合束棱镜后输出光束位置在同一位置且偏振态均沿竖直方向，锁紧光纤准直器；

装上光纤耦合器，沿X方向、Y方向和绕X方向、Y方向以及Z方向调整光纤耦合器，使得从单模保偏光纤输出的光束强度最大，锁紧光纤耦合器。

基于上述技术方案可知，本发明的合束装置及方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：

(1)本发明提供的一种高稳定偏振保持合束装置及方法，可将多束不同波长的线偏振光合成一束含不同波长的同轴输出光束，且多个波长光束的偏振态保持高度一致。

(2)本发明通过一体式的合束棱镜解决了传统二向色镜片固定时存在位置稳定性问题，不会出现光束经二向色镜片传输产生的较大偏折的问题，避免了大幅调整光束位置，从而有利于保证光束的同轴度以及合束后光束的位置稳定性，减小单模保偏光纤耦合效率的波动，从结构上提高了最后到达探测器上的光强稳定性保证了对准系统的测量精度。

(3)最后光束通过单模保偏光纤输出，在保证光束偏振态的同时，进一步提高了光束的同轴度和位置稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例所述的高稳定偏振保持合束装置示意图；

图2为本发明实施例所述合束棱镜中各直角棱镜的示意图；

图3为本发明实施例采用光束质量分析仪监测输出光束位置的示意图；

图4为本发明实施例采用偏振态测量仪监测输出光束偏振态的示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

101～104、第一～第四光源；

201～205、第一～第五单模保偏光纤；

301～305、第一～第五光纤准直器；

306、光纤耦合器； 400、机械外壳；

500、合束棱镜； 501～505、第一～第五直角棱镜；

600、光束质量分析仪； 700、偏振态测量仪。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种高稳定偏振保持合束装置及方法，可将多束不同波长的线偏振光合成一束含不同波长的同轴输出光束，且多个波长光束的偏振态保持高度一致。通过一体式的合束棱镜解决了传统二向色镜片固定时存在位置稳定性问题，不会出现光束经二向色镜片传输产生的较大偏折的问题，避免了大幅调整光束位置，从而有利于保证光束的同轴度以及合束后光束的位置稳定性，减小单模保偏光纤耦合效率的波动，从结构上提高了最后到达探测器上的光强稳定性保证了对准系统的测量精度。最后光束通过单模保偏光纤输出，在保证光束偏振态的同时，进一步提高了光束的同轴度和位置稳定性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的一种高稳定偏振保持合束装置，包括：第一光源101、第二光源102、第三光源103、第四光源104、第一单模保偏光纤201、第二单模保偏光纤202、第三单模保偏光纤203、第四单模保偏光纤204、第五单模保偏光纤205、第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303、第四光纤准直器304、第五光纤准直器305、光纤耦合器306、机械外壳400以及合束棱镜500。第一光源101、第二光源102、第三光源103和第四光源104分别发出波长为λ1、λ2、λ3和λ4的线偏振光，分别耦合入第一单模保偏光纤201、第二单模保偏光纤202、第三单模保偏光纤203和第四单模保偏光纤204中传输，并经过第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303和第四光纤准直器304后输出四束波长为λ1、λ2、λ3和λ4的线偏振准直光束，进入合束棱镜500，经合束棱镜500合束后，通过光纤耦合器306耦合入单模保偏光纤205中，再经过第五光纤准直器305后输出含λ1、λ2、λ3和λ4的一束线偏振准直光。

其中，合束棱镜500包括第一直角棱镜501、第二直角棱镜502、第三直角棱镜503、第四直角棱镜504以及第五直角棱镜505，第一直角棱镜501、第二直角棱镜502、第三直角棱镜503、第四直角棱镜504以及第五直角棱镜505均为等边直角三角形，其中第一直角棱镜501和第五直角棱镜505的直角边长均为L1，第二直角棱镜502、第三直角棱镜503和第四直角棱镜504的直角边长均为L2，两者满足如下关系：

如图2a所示，第一直角棱镜501的直角面501a和斜面501b均镀有增透膜；如图2b所示，第二直角棱镜502的斜面502a和直角面502b镀有增透膜，直角面502c镀有分色膜；如图2c所示，第三直角棱镜503的斜面503a和直角面503b镀有增透膜，直角面503c镀有分色膜；如图2d所示，第四直角棱镜504的斜面504a和直角面504b镀有增透膜，直角面504c镀有分色膜；如图2e所示，第五直角棱镜505的直角面505a镀有增透膜，斜面505c镀有分色膜。

上述合束棱镜500中的第一直角棱镜501、第二直角棱镜502、第三直角棱镜503、第四直角棱镜504以及第五直角棱镜505之间通过胶水或光胶的形式胶合在一起，形成一个整体。其中，第一直角棱镜501的斜面501b和第二直角棱镜502的直角面502c胶合在一起，第二直角棱镜502的直角面502b和第三直角棱镜503的直角面503c胶合在一起，第三直角棱镜503的直角面503b和第四直角棱镜504的直角面504c胶合在一起，第四直角棱镜504的直角面504b和第五直角棱镜505的斜面505c胶合在一起。

在上述合束棱镜中，第二直角棱镜502的直角面502c所镀的分色膜对波长为λ2的光束具有高反射作用，且不改变光束的偏振态，第二直角棱镜502的斜面502a和直角面502b所镀增透膜对波长为λ2的光束具有高透过率，直角面502c所镀的分色膜对波长为λ2的光束具有高反射作用，且斜面502a和直角面502b所镀增透膜以及斜面502c所镀分色膜不改变光束的偏振态；第三直角棱镜503的斜面503a和直角面503b所镀增透膜对波长为λ2和λ3的光束具有高透过率，直角面503c所镀的分色膜对波长为λ2的光束具有高透过率，而对波长为λ3的光束具有高反射作用，且斜面503a和直角面503b所镀增透膜以及斜面503c所镀分色膜均不改变波长为λ2和λ3光束的偏振态；第四直角棱镜504的斜面504a和直角面504b所镀增透膜对波长为λ1、λ2和λ3的光束具有高透过率，直角面504c所镀的分色膜对波长为λ2和λ3的光束具有高透过率，而对波长为λ1的光束具有高反射作用，且斜面504a和直角面504b所镀增透膜以及斜面504c所镀分色膜均不改变波长为λ1、λ2和λ3光束的偏振态；第五直角棱镜505的直角面505a和直角面505b所镀增透膜对波长为λ1、λ2、λ3和λ4的光束具有高透过率，斜面505c所镀的分色膜对波长为λ1、λ2和λ3的光束具有高透过率，而对波长为λ4的光束具有高反射作用，且直角面505a和直角面505b所镀增透膜以及斜面505c所镀分色膜均不改变波长为λ1、λ2、λ3和λ4光束的偏振态。

上述合束棱镜500通过胶水和机械外壳400固定在一起。

在上述高稳定偏振保持合束装置中，第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303、第四光纤准直器304和光纤耦合器306直接固定在机械外壳400上，第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303、第四光纤准直器304和光纤耦合器306具备X方向、Y方向和绕X方向、Y方向以及Z方向旋转的五个自由度，并都具有锁紧按钮。

利用上述装置实现高稳定偏振保持的方法，包括以下步骤：

1、将第一单模保偏光纤201、第二单模保偏光纤202、第三单模保偏光纤203和第四单模保偏光纤204分别跟第一光源101、第二光源102、第三光源103、第四光源104连接，使得第一单模保偏光纤201、第二单模保偏光纤202、第三单模保偏光纤203和第四单模保偏光纤204的输出光强最大。

2、第一单模保偏光纤201、第二单模保偏光纤202、第三单模保偏光纤203和第四单模保偏光纤204分别连接到第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303、第四光纤准直器304中。

3、取下光纤耦合器306，依次打开第一光源101、第二光源102、第三光源103和第四光源104的电源，使得第一光源101、第二光源102、第三光源103和第四光源104所发出的光均能从光纤耦合器306所在位置出射，关闭第一光源101、第二光源102、第三光源103和第四光源104的电源。

4在光纤耦合器306所在位置处放置光束质量分析仪600。如图3所不。

5、打开第二光源102的电源，监测第二光源102的光束经过合束棱镜500后输出光束的位置，通过光纤准直器302调整X方向、Y方向和绕X轴方向及Y方向的旋转，使出射光束在光束质量分析仪600指定的像元位置处。

6、依次打开第三光源103、第一光源101和第四光源104的电源，重复步骤5，使得第三光源103、第一光源101和第四光源104的光束经过合束棱镜500后输出光束位置在步骤5中光束质量分析仪600所指定的像元位置处。

7、关闭第一光源101、第二光源102、第三光源103和第四光源104的电源，取走光束质量分析仪600，在光束质量分析仪600所在位置放置偏振态测量仪700。如图4所示。

8打开第二光源102的电源，通过偏振态测量仪700监测第二光源102的光束经过合束棱镜500后输出光束的偏振态，通过光纤准直器302沿Z方向旋转单模保偏光纤202的方位，使输出光束的偏振态沿竖直方向。

9依次打开第三光源103、第一光源101和第四光源104的电源，重复步骤8，使得第三光源103、第一光源101和第四光源104的光束经过合束棱镜500后输出光束的偏振态均沿竖直方向。

10重复步骤4到9，确认第一光源101、第二光源102、第三光源103和第四光源104光束经过合束棱镜500后输出光束位置在同一位置且偏振态均沿竖直方向，锁紧第一光纤准直器301、第二光纤准直器302、第三光纤准直器303和第四光纤准直器304。

11、装上光纤耦合器306，沿X方向、Y方向和绕X方向、Y方向以及Z方向调整光纤耦合器306，使得从单模保偏光纤205输出的光束强度最大。锁紧光纤耦合器306。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种偏振保持合束装置，其特征在于，所述合束装置包括若干光源、N个单模保偏光纤、N个光纤准直器、光纤耦合器和合束棱镜；

其中，若干光源分别发出不同波长的线偏振光，分别耦合入N个单模保偏光纤中传输，并经过N个光纤准直器后输出不同波长的线偏振准直光束并进入合束棱镜，经合束棱镜合束后，通过光纤耦合器耦合入单模保偏光纤中，再经过光纤准直器后输出包含不同波长的一束偏振准直光；

其中，所述合束棱镜包括五个直角棱镜，分别为第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、第四直角棱镜和第五直角棱镜，所述直角棱镜均为等边直角三角形，其中位于两侧的两个直角棱镜的直角边长均为L1，位于中间位置的三个直角棱镜的直角边长均为L2，两者满足如下关系：

其中，五个直角棱镜之间通过胶水或光胶的形式胶合在一起，形成一个整体；第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的直角面胶合在一起，第二直角棱镜的直角面和第三直角棱镜的直角面胶合在一起，第三直角棱镜的直角面和第四直角棱镜的直角面胶合在一起，第四直角棱镜的直角面和第五直角棱镜的斜面胶合在一起。

2.根据权利要求1所述的偏振保持合束装置，其特征在于，所述N为大于等于2的自然数。

3.根据权利要求1所述的偏振保持合束装置，其特征在于，所述合束装置还包括机械外壳，所述合束棱镜通过胶水和机械外壳固定在一起。

4.根据权利要求1所述的偏振保持合束装置，其特征在于，位于远离用于输出所述线偏振准直光的光纤准直器一侧的第一直角棱镜的靠近机械外壳短边的直角面和斜面均镀有增透膜；第二直角棱镜的斜面和与第三直角棱镜贴合的直角面镀有增透膜，与第一直角棱镜贴合的直角面镀有分色膜；第三直角棱镜的斜面和与第四直角棱镜贴合的直角面镀有增透膜，与第二直角棱镜贴合的直角面镀有分色膜；第四直角棱镜的斜面和与第五直角棱镜贴合的直角面镀有增透膜，与第三直角棱镜贴合的直角面镀有分色膜；第五直角棱镜的靠近机械外壳短边的直角面镀有增透膜，斜面镀有分色膜。

5.根据权利要求1所述的偏振保持合束装置，其特征在于，所述N个光纤准直器直接固定在机械外壳上，位于机械外壳外侧的光纤准直器和光纤耦合器具备X方向、Y方向和绕X方向、Y方向以及Z方向旋转的五个自由度，并都具有锁紧按钮。

6.根据权利要求1所述的偏振保持合束装置，其特征在于，所述偏振保持合束装置还包括光束质量分析仪，用于调节输出的偏振准直光的水平位置；

所述偏振保持合束装置还包括偏振态测量仪，用于调节输出的偏振准直光的偏振态沿竖直方向。

7.一种采用如权利要求1-6任一所述的偏振保持合束装置的偏振保持合束方法，其特征在于，包括以下步骤：

将单模保偏光纤分别与光源连接，使得单模保偏光纤的输出光强最大；

将单模保偏光纤分别与光纤准直器连接；

取下光纤耦合器，依次打开光源，使得光源所发出的光均能从光纤耦合器所在位置出射，关闭光源；

在光纤耦合器所在位置处放置光束质量分析仪；

依次打开各个光源的电源，监测光源的光束经过合束棱镜后输出光束的位置，通过光纤准直器调整X方向、Y方向和绕X轴方向及Y方向的旋转，使出射光束在光束质量分析仪指定的像元位置处；

关闭光源的电源，取走光束质量分析仪，在光束质量分析仪所在位置放置偏振态测量仪；

依次打开各个光源的电源，通过偏振态测量仪监测光源的光束经过合束棱镜后输出光束的偏振态，通过相应的光纤准直器沿Z方向旋转单模保偏光纤的方位，使输出光束的偏振态沿竖直方向；

重复调节光束质量分析仪和偏振态测量仪的步骤，确认光源光束经过合束棱镜后输出光束位置在同一位置且偏振态均沿竖直方向，锁紧光纤准直器；

装上光纤耦合器，沿X方向、Y方向和绕X方向、Y方向以及Z方向调整光纤耦合器，使得从单模保偏光纤输出的光束强度最大，锁紧光纤耦合器。

8.一种采用如权利要求1～6任一项所述的偏振保持合束装置进行不同波长的光束合束的光刻设备。

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