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1、(10)申请公布号 CN 102735190 A (43)申请公布日 2012.10.17 CN 102735190 A *CN102735190A* (21)申请号 201110086783.6 (22)申请日 2011.04.07 G01B 11/26(2006.01) (71)申请人 上海微电子装备有限公司 地址 201203 上海市浦东区张江高科技园区 张东路 1525 号 申请人 上海微高精密机械工程有限公司 (72)发明人 戈亚萍 徐荣伟 宋海军 (74)专利代理机构 北京连和连知识产权代理有 限公司 11278 代理人 王光辉 (54) 发明名称 一种用于激光束偏转角的检测装置及。
2、检测方 法 (57) 摘要 本发明一种激光束偏转角检测装置， 沿光轴 依次包括 ： 光源， 光纤， 准直透镜， 聚焦透镜， 括束 透镜， 反射面 ； 激光束经反射面反射， 沿原路返 回， 经光纤耦合器耦合， 再经分光器件分光到光探 测器进行测量。本发明通过激光束在硅片面的反 射光耦合进光纤， 再通过分束， 光功率计探测来检 测激光束的偏转角， 提高了对激光束偏转角检测 的可操作性， 降低了对激光束偏转角检测的难度， 降低了检测成本， 具备较高的检测精度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要。
3、求书 1 页 说明书 4 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种激光束偏转角检测装置， 其特征在于沿光轴依次包括 ： 光源， 光纤， 准直透镜， 聚焦透镜， 括束透镜， 反射面 ； 激光束经反射面反射， 沿原路返回， 经光纤耦合器耦合， 再经 分光器件分光到光探测器进行测量。 2. 如权利要求 1 所述的检测装置， 其特征在于所述反射面为反射型相位光栅。 3. 如权利要求 1 所述的检测装置， 其特征在于所述分光器件是分光棱镜或光纤分束 器。 4.如权利要求1所述的检测装置， 其特征在于光纤耦合效率T与激光束偏转角的关 系为 ： T T(rf)T() exp(-(4fc(1-d/f)/d。
4、0+1/(fdiv)2) 其中， 为激光束照射到反射面上的偏转角 ； fc为扩束透镜的焦距 ； rf为聚焦透镜 产生的反射光偏移 ； 为聚焦透镜产生的反射光倾斜 ； d 为聚焦透镜至准直透镜的距离 ； f 为聚焦透镜的焦距 ； d0为进入光纤的激光束的光斑直径 ； div 为进入光纤的激光束的全发 散角。 5. 如权利要求 1 所述的检测装置， 其特征在于所述激光器是气体激光器或固体激光 器。 6. 如权利要求 1 所述的检测装置， 其特征在于所述光纤是单模光纤或多模光纤。 7. 一种激光束偏转角检测方法， 包括如下步骤 ： (a) 提供一光源， 光源发出的光线经光纤光学组件， 扩束透镜， 照。
5、射到反射面上 ； (b) 反射光线沿原路返回， 经光纤耦合器件耦合进入光纤 ； (c) 提供一分光器件， 将分出的光线照射到光探测器上进行测量。 8. 如权利要求 7 所述的检测方法， 其中所述光纤光学组件包括光纤， 准直透镜， 聚焦透 镜。 9. 如权利要求 7 所述的检测方法， 其中所述反射面为反射型相位光栅。 10. 如权利要求 7 所述的检测装置， 其中所述分光器件是分光棱镜或光纤分束器。 11.如权利要求7所述的检测方法， 其中光纤耦合效率T与激光束偏转角的关系为 ： T T(rf)T() exp(-(4fc(1-d/f)/d0+1/(fdiv)2) 其中， 为激光束照射到反射面上的。
6、偏转角 ； fc为扩束透镜的焦距 ； rf为聚焦透镜 产生的反射光偏移 ； 为聚焦透镜产生的反射光倾斜 ； d 为聚焦透镜至准直透镜的距离 ； f 为聚焦透镜的焦距 ； d0为进入光纤的激光束的光斑直径 ； div 为进入光纤的激光束的全发 散角。 12. 如权利要求 7 所述的检测方法， 其中所述光纤是单模光纤或多模光纤。 权 利 要 求 书 CN 102735190 A 2 1/4 页 3 一种用于激光束偏转角的检测装置及检测方法 技术领域 0001 本发明涉及光学检测技术领域， 特别是涉及一种用于激光束偏转角的检测装置及 检测方法。 背景技术 0002 在现代光电探测系统中， 经常对激光。
7、束照射到测量目标或物体的表面的偏转角有 要求。 比如， 光刻装置的对准相干成像系统中， 照射到硅片标记上的激光束偏转角一般要求 不超过 200urad， 甚至不超过 150uard， 若超过该指标则降低对准精度。因而需要在对准前 测量照射到硅片上的激光束偏转角， 以便激光束倾斜调整装置校正激光束偏转角以满足指 标。 0003 目前对激光束偏转角的测量主要采用光电探测器， 有电荷耦合器件 (CCD) 和四象 限探测器 (QD)。电荷耦合器件 (CCD) 输出的数据虽能直接反应光斑在光敏面上的位置， 进 而根据其相对光敏面中心的偏移量得出激光束相对于光轴的偏转角 ； 四象限探测器 (QD) 输出的。
8、数据虽能直接反应光斑在光敏面上的位置， 进而根据其相对光敏面中心的偏移量得 出激光束相对于光轴的偏转角， 但是在用四象限探测器探测前需要对四象限探测器与探测 面的位置进行标定， 常用的标定方法是通过十字标记照射到四象限探测器的 GAP 区域， 通 过辨别四个象限输出的电压值来标定。 0004 光刻装置的对准相干成像系统中， 照射到硅片标记的激光束 60经硅片反射， 40被硅片吸收， 基本无透射。 同时硅片距离前组三片镜的距离仅为20mm， 空间极有限。 因 此， 上述两种光电探测器存在以下不适用处 ： 0005 电荷耦合器件 (CCD) 的像素太多， 需要处理的数据量太大， 不适合高动态范围的。
9、 激光束偏转角的测量 ； 0006 无十字标记来对四象限探测器 (QD) 与硅片的位置进行标定 ； 0007 需开发配套电路来采集和处理数据 ； 0008 无法探测激光束的透射光， 同时受空间约束， 无法在硅片面上方加入反射镜再引 至光电探测器上。 发明内容 0009 为解决上述问题， 本发明的目的在于提高对激光束偏转角检测的可操作性， 降低 对激光束偏转角检测的难度， 降低检测成本， 提高检测精度。 0010 本发明一种激光束偏转角检测装置， 沿光轴依次包括 ： 光源， 光纤， 准直透镜， 聚焦 透镜， 括束透镜， 反射面 ； 激光束经反射面反射， 沿原路返回， 经光纤耦合器耦合， 再经分光。
10、 器件分光到光探测器进行测量。 0011 其中， 所述反射面为反射型相位光栅。 0012 其中， 所述分光器件可以是分光棱镜或光纤分束器。 0013 进一步地， 光纤耦合效率 T 与激光束偏转角 的关系为 ： 说 明 书 CN 102735190 A 3 2/4 页 4 0014 T T(rf)T() exp(-(4fc(1-d/f)/d0+1/(fdiv)2) 0015 其中， 为激光束照射到反射面上的偏转角 ； fc为扩束透镜的焦距 ； rf为聚焦透 镜产生的反射光偏移 ； 为聚焦透镜产生的反射光倾斜 ； d 为聚焦透镜至准直透镜的距 离 ； f 为聚焦透镜的焦距 ； d0为进入光纤的激光。
11、束的光斑直径 ； div 为进入光纤的激光束的 全发散角。 0016 较优地， 所述激光器是气体激光器， 也可以是固体激光器， 或是其他类型激光器。 0017 较优地， 所述光纤可以是单模光纤或多模光纤。 0018 一种激光束偏转角检测方法， 包括如下步骤 ： 0019 (a) 提供一光源， 光源发出的光线经光纤光学组件， 扩束透镜， 照射到反射面上 ； 0020 (b) 反射光线沿原路返回， 经光纤耦合器件耦合进入光纤 ； 0021 (c) 提供一分光器件， 将分出的光线照射到光探测器上进行测量。 0022 其中所述光纤光学组件包括光纤， 准直透镜， 聚焦透镜。 0023 其中所述反射面为反。
12、射型相位光栅。 0024 其中， 所述分光器件可以是分光棱镜或光纤分束器。 0025 进一步地， 光纤耦合效率 T 与激光束偏转角 的关系为 ： 0026 T T(rf)T() exp(-(4fc(1-d/f)/d0+1/(fdiv)2) 0027 其中， 为激光束照射到反射面上的偏转角 ； fc为扩束透镜的焦距 ； rf为聚焦透 镜产生的反射光偏移 ； 为聚焦透镜产生的反射光倾斜 ； d 为聚焦透镜至准直透镜的距 离 ； f 为聚焦透镜的焦距 ； d0为进入光纤的激光束的光斑直径 ； div 为进入光纤的激光束的 全发散角。 0028 其中所述光纤可以是单模光纤或多模光纤。 0029 本发明。
13、通过激光束在硅片面的反射光耦合进光纤， 再通过分束， 光功率计探测来 检测激光束的偏转角， 提高了对激光束偏转角检测的可操作性， 降低了对激光束偏转角检 测的难度， 降低了检测成本， 具备较高的检测精度。 附图说明 0030 关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了 解。 0031 图 1 为本发明激光束偏转角检测装置检测原理图 ； 0032 图 2 为本发明激光束偏转角检测装置第一实施例结构示意图 ； 0033 图 3 为本发明激光束偏转角检测装置第一实施例反射光功率与激光束偏转角的 关系曲线 ； 0034 图 4 为本发明激光束偏转角检测装置第二实施例结构示意图。
14、 ； 0035 图 5 为本发明激光束偏转角检测装置第二实施例反射光功率与激光束偏转角的 关系曲线。 具体实施方式 0036 下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。 0037 如图 1 所示， 本发明激光束偏转角检测装置检测原理如图。光源发出的光经光纤 说 明 书 CN 102735190 A 4 3/4 页 5 光学组件 100， 扩束透镜 105， 照射到反射面 106 上。其中光纤光学组件 100 包括光纤 101， 准直透 102， 聚焦透镜 103。光束经过光纤 101 传输， 经准直透镜 102 准直， 经过聚焦透镜 103 聚焦到焦面 104 上。焦面 104 是聚焦透镜 10。
15、3 和扩束透镜 105 的共用焦面。光束经括 束透镜 105 扩束， 照射到反射面 106 上， 经反射面 106 反射沿原路返回。 0038 设激光束照射到反射面 106 上的偏转角为 ， 则反射光在 106 上产生的偏移 rc 为 ： 0039 fc 2fc 其中 fc为扩束透镜 105 的焦距。 0040 经过聚焦透镜 103 产生的反射光偏移 rf和倾斜 为 ： 0041 rf rc(1-d/f) 0042 rc/f 0043 d 为聚焦透镜 103 至准直透镜 102 的距离 ； f 为聚焦透镜 103 的焦距。 0044 则反射光耦合进光纤 101 耦合效率 T 为 ： 0045 。
16、T(rf) exp(-(2rf/d0)2) 0046 T() exp(-(2/di)2) 0047 T T(rf)T() exp(-(4fc(1-d/f)/d0+1/(fdiv)2) 0048 d0为进入光纤的激光束的光斑直径， div 为进入光纤的激光束的全发散角。 0049 实施例 1 0050 如图 2 所示， 图 2 是本发明激光束偏转角检测装置第一实施例结构示意图。激光 器 203 发出激光束， 经光纤 101 传输。激光器 203 是气体激光器， 也可以是固体激光器， 或 是其他类型激光器。光纤 101 可以是单模光纤或多模光纤。光纤 101 和准直透镜 102 固定 相连， 聚焦。
17、透镜 103 可以是双胶合透镜或是其他具备焦距特性的透镜及透镜组。聚焦透镜 103 和括束透镜 105 用于对激光束扩束。经激光器 203 发出的激光束经分光棱镜 202 透射 后， 经光纤耦合器 201 耦合， 经光纤 101 传输， 经准直透镜 102 准直、 聚焦透镜 103 聚焦， 扩 束透镜 105 扩束后， 照射到硅片标记 107 上。硅片标记 107 是反射型相位光栅， 激光束经硅 片标记 107 反射的 0 级反射光沿原光路返回， 依次经过扩束透镜 105、 聚焦透镜 103、 准直透 镜 102， 光纤 101， 光纤耦合器 201， 经分光棱镜 202 反射， 进入光功率计。
18、 204 探测光强。光 功率计 204 位于分光棱镜 202 的反射光路上。激光束经准直透镜 102 准直后的光斑直径为 0.9mm， 发散角为 1mrad ； 忽略透镜的透过率损失， 激光束通过光纤耦合器的耦合效率 为 70， 分光棱镜的光透射率与反射率比 2为 50 50， 硅片标记的 0 级反射光的光功 率 A 为 10mw， 则 0 级反射光的光功率与激光束偏转角的关系为 ： 0051 I A2T(rf)T() A2exp(-(4fc(1-d/f)/d0+1/ (fdiv)2) 0052 图 3 为本发明激光束偏转角检测装置第一实施例反射光功率与激光束偏转角的 关系曲线。通过光功率计探。
19、测 0 级反射光耦合进光纤的光束经分光棱镜反射的光功率， 根 据激光束偏转角与 0 级反射光功率的关系， 可以检测激光束偏转角。本实施例中激光束偏 转角 0.2mrad， 即所测 0 级反射光功率 1.9942mw。 0053 若所得激光束偏转角超过 0.2mrad， 通过整体调整光纤光学组件 100 的 X、 Y 方 向， 来调整照射到标记面的激光束的偏转角。 0054 光纤光学组件100的X、 Y的偏移， 引起聚焦的焦面上的光斑偏移， 这样引起照射到 说 明 书 CN 102735190 A 5 4/4 页 6 标记面的激光束的偏转 ； 则调整光纤光学组件100的X、 Y方向， 可以调整照。
20、射到标记面的激 光束的偏转。 0055 实施例 2 0056 如图 4 所示， 图 4 是本发明激光束偏转角检测装置第二实施例结构示意图。激光 器 203 发出激光束， 经光纤 101 传输。激光器 203 为气体激光器， 也可以是固体激光器， 或 是其他类型激光器。光纤 101 可以是单模光纤或多模光纤。光纤 101 和准直透镜 102 固定 相连， 聚焦透镜 103 可以是双胶合透镜或是其他具备焦距特性的透镜及透镜组。聚焦透镜 103 和括束透镜 105 用于对激光束扩束。经激光器 203 发出的激光束经分光棱镜 202 透射 后， 经光纤耦合器 201 耦合， 经光纤 101 传输， 经。
21、准直透镜 102 准直、 聚焦透镜 103 聚焦， 扩 束透镜 105 扩束后， 照射到硅片标记 107 上。硅片标记 107 是反射型相位光栅， 激光束经标 记反射的 0 级反射光沿原光路返回， 沿原光路返回， 依次经过扩束透镜 105、 聚焦透镜 103、 准直透镜 102， 光纤 101， 光纤分束器 300， 再由光电探测器 204 探测激光束反射光功率。激 光束经准直透镜102准直后的光斑直径为0.9mm， 发散角为1mrad ； 忽略透镜的透过率损失， 光纤分束器 300 的分光效率 1为 50， 硅片标记的 0 级反射光的光功率 A 为 10mw， 则所 测 0 级反射光反射光功。
22、率与激光束偏转角的关系为 ： 0057 I A1T(rf)T() A1exp(-(4fc(1-d/f)/d0+1/ (fdiv)2) 0058 图 5 为本发明激光束偏转角检测装置第二实施例反射光功率与激光束偏转角的 关系曲线。通过光功率计探测反射光功率， 根据激光束偏转角与 0 级反射光功率的关系， 可以检测激光束偏转角。本实施例中激光束偏转角 0.2mrad， 即所测 0 级反射光功率 2.8489mw。若所得照明光光束偏转角超过 0.2mrad， 通过整体调整光纤光学组件 100 的 X、 Y 方向， 来调整照射到标记面的激光束的偏转角。 0059 光纤光学组件100的X、 Y的偏移， 。
23、引起聚焦的焦面上的光斑偏移， 这样引起照射到 标记面的激光束的偏转 ； 则调整光纤光学组件100的X、 Y方向， 可以调整照射到标记面的激 光束的偏转。 0060 本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例， 以上实施例仅用以说明本发明 的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、 推理 或者有限的实验可以得到的技术方案， 皆应在本发明的范围之内。 说 明 书 CN 102735190 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102735190 A 7 2/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102735190 A 8 3/3 页 9 图 5 说 明 书 附 图 CN 102735190 A 9 。