一种光刻光学元件综合性能的预测评估方法

本发明涉及光刻光学元件测量，具体涉及一种光刻光学元件综合性能的预测评估方法。

背景技术：

1、光刻技术是一种精密的微细加工技术，是现代半导体、微电子、信息产业的基础，直接决定了这些产业的发展水平。光刻技术是利用光化学反应原理和化学、物理刻蚀技术，将电路图形传递到单晶表面和介质层上，形成有效图像窗口或工艺图形的工艺技术。根据使用的光源不同，光刻技术可分为紫外光光刻、电子束光刻、软光刻和直接成像光刻。多年来，紫外光刻技术因其高精度、高效率、低成本的特点，一直被广泛应用于微电子器件制造领域。提高光刻技术分辨率的传统方法是增大数值孔径或缩短波长，通常采用的方法是缩短波长。当前光刻光源的主流选择已从最初的汞灯g-line(436nm)到(365nm)发展到目前最先进的11～14nm的euv极紫外光源。

2、光刻光学元件是激光器的重要组件，其质量直接影响着激光的性能，然而光刻光学元件在激光辐照过程中会发生损伤。目前，光刻光学元件的抗激光损伤能力已成为制约激光器发展的主要因素。对光刻光学元件抗激光损伤能力的评价一般为表面粗糙度、吸收率、透过率等表征、以及几种短期损伤阈值测试。这些测试仅为光刻光学元件使用前的初期评价，无法对光刻光学元件激光辐照过程中的性能参数变化进行预测和评估。同时，关于激光辐照下的综合性能缺乏一种科学合理且统一的性能指标参数。

3、对于紫外激光而言，激光辐照对光刻光学元件造成的损伤包括光化学效应和能量累积产生的光热效应，机制复杂，影响因素众多，给当前光刻光学元件抗激光损伤能力的评价提出了新的挑战。因此，亟需建立一种适用性更广的光刻光学元件综合性能评估方法，以弥补目前抗激光损伤能力评价体系的不足。这对于提升光刻光学元件抗激光损伤能力，提高国产激光器使用性能具有重要的理论意义和工程价值。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种伽马补偿型长寿命堆内中子探测器的设计方法，以解决中子探测过程γ射线背景噪声电流干扰的问题。基于γ射线分支电流计算，通过调整探测器基本参数以实现对伽马总响应电流的补偿，并基于探测器灵敏区的微观吸收反应率定量计算探测器的预期运行寿命，保证在目标辐射场条件下的可持续运行。

2、为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提出一种光刻光学元件综合性能的预测评估方法，旨在完善光刻光学元件性能评估评价指标单一、体系不完善等问题，为光刻光学元件综合性能的预测评估提供全新方案。本发明能够综合影响光刻光学元件性能的多个性能参数，适用于各种激光辐照工况下光刻光学元件的综合性能指标，具有广泛的应用价值。

3、为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

4、一种光刻光学元件综合性能的预测评估方法，所述方法通过实验的方法获得激光参数对激光辐照下光刻光学元件缺陷增长的影响；通过数值模拟得到缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数的影响；通过应力双折射、纳米压痕等方法获得激光辐照光刻光学元件的力学性能指标和光学性能指标；基于主成分分析法对激光参数、缺陷浓度、性能指标进行综合评价；最后建立评估指标数据集，对特定激光辐照下的光刻光学元件进行综合性能预测，所述方法具体是按如下步骤进行的：

5、s1、通过实验得到不同入射激光参数辐照下光刻光学元件中各种缺陷浓度的增长速率，进而得到不同入射激光参数辐照下各种缺陷浓度增长速率的矩阵；

6、在预设波长λ、脉冲频率f下，用不同的能量密度ii(i＝1,2,3,4,5…)的激光分别对光刻光学元件的nii(i＝1,2,3,4,5…)个辐照区域进行激光辐照；定义光刻光学元件在经过能量密度为ii(i＝1,2,3,4,5…)的激光多次辐照后初步出现等离子体闪光时的脉冲次数为mii(i＝1,2,3,4,5…)，确定不同能量密度下最小单位脉冲数取nii个辐照区域，不同能量密度下第j个点的辐照次数为j*nii次(i＝1,2,3,4,5…,j＝1,2,3,…,nii)；对所有辐照区域分别进行荧光光谱表征，对比不同能量密度下不同辐照区域在辐照次数增长过程中缺陷ai(i＝1,2,…,d)的浓度变化，从而得到缺陷ai在不同能量密度ii的激光辐照下的浓度增长速率vaii(i)。

7、在预设能量密度i、脉冲频率f下，用不同的波长λi(i＝1,2,3,4,5…)的激光分别对光刻光学元件的nλi(i＝1,2,3,4,5…)个辐照区域进行激光辐照；定义光刻光学元件在经过激光波长为λi的激光多次辐照后初步出现等离子体闪光时的脉冲次数为mλi(i＝1,2,3,4,5…)，确定不同波长下最小单位脉冲数则不同波长下第j个点的辐照次数为j*nλi次(i＝1,2,3,4,5…,j＝1,2,3,…,nλi)；对所有辐照区域分别进行荧光光谱表征，对比不同波长下不同辐照区域在辐照次数增长过程中缺陷ai(i＝1,2,,…,d)的浓度变化，从而得到缺陷ai在不同激光波长λi的激光辐照下的浓度增长速率vaiλ(λ)。在预设波长λ、能量密度i下，用不同的脉冲频率fi(i＝1,2,3,4,5…)的激光分别对光刻光学元件的nfi(i＝1,2,3,4,5…)个辐照区域进行激光辐照。定义光刻光学元件在经过脉冲频率为fi(i＝1,2,3,4,5…)的激光多次辐照后初步出现等离子体闪光时的脉冲次数为mfi(i＝1,2,3,4,5…)，确定不同脉冲频率下最小单位脉冲数取nfi个辐照点，不同脉冲频率下第j个点的辐照次数为j*nfi次(i＝1,2,3,4,5…,j＝1,2,3,…,nfi)。对所有辐照区域分别进行荧光光谱表征，对比不同脉冲频率下不同辐照区域在辐照次数增长过程中缺陷ai(i＝1,2,…,d)的浓度变化，从而得到缺陷ai在不同激光脉冲频率fi的激光辐照下的浓度增长速率vaif(f)。

8、通过以上实验，得到不同激光参数辐照下各种缺陷增长速率的矩阵v。

9、不同激光参数辐照下各种缺陷增长速率矩阵

10、s2、通过数值模拟得到不同缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数的影响；

11、建立多个含有不同浓度caij(i＝1,2,…,d,j＝1,2,3,4,5…)缺陷ai的数值模拟模型，再建立无缺陷的光刻光学元件数值模拟模型(ca0＝0)，将缺陷浓度值进行平均计算，得到缺陷浓度平均值caiv；通过数值模拟计算得到缺陷ai不同浓度caij(i＝1,2,…,d,j＝1,2,3,4,5…)和无缺陷(ca0＝0)下光刻光学元件的性能参数：弹性模量mij、硬度hij、接触刚度sij、应力双折射值yij、吸收率aij(i＝1,2,…,d,j＝0,1,2,3,4,5…)；对含缺陷的数值模拟模型的计算结果平均计算得到各参数平均值maiv、haiv、saiv、yaiv、aaiv，根据含有缺陷ai的数值模拟模型和无缺陷的数值模拟模型的性能参数对比，建立缺陷ai浓度对光刻光学元件各性能参数的影响系数kaim、kaih、kais、kaiy、kaia：

12、

13、

14、

15、

16、

17、通过以上数值模拟计算，得到各种缺陷浓度对光刻光学元件性能参数影响系数矩阵

18、s3、测试光刻光学元件的力学性能参数和光学性能参数；

19、通过应力双折射仪测量光刻光学元件的应力双折射分布，并确定应力双折射最高值ymax、最低值ymin所在区域的位置和面积；判断高值区域和低值区域面积是否大于等于25μm2；如果区域面积大于等于25μm2，则纳米压痕测试点间隔距离l＝(区域面积)0.5/5，每组测试点数量q＝6；否则，每组测试点数量q＝1+(区域面积)0.5/1(取整)，间隔尺寸l＝区域面积/(q-1)；通过纳米压痕仪对光刻光学元件应力双折射最高值区域和最低值区域分别进行峰值载荷控制模式下连续刚度测试，测试参数设置为：最大载荷分别为pmaxi(i＝1,2,…,q)；每组q个测试点，共输出q*5*2个载荷-位移曲线；根据载荷-位移曲线计算光刻光学元件的硬度h、弹性模量m、接触刚度s、压痕深度h等数据，对所得数据进行分组高斯拟合，以降低测量误差的影响，得到光刻光学元件应力双折射最高值区域和最低值区域的不同载荷下的有效硬度hmaxi和hmini、有效弹性模量mmaxi和mmini、有效接触刚度smaxi和smini、最大压痕深度hmaxmaxi和hmaxmini、最终压痕深度hfmaxi和hfmini数据(i＝1,2,…,q)；计算各力学性能指标的数值波动σhmin、σhmax、σmmin、σmmax、σsmin、σsmax、σhmin、σhmax、若数值波动均小于等于20％，则取各数据平均值为有效测量值，记为hvmax、hvmin、mvmax、mvmin、svmax、svmin、hmaxvmax、hmaxvmin、hfvmax、hfvmin；否则，适当提高最大载荷pmaxi(i＝1,2,…,q)并重复上述测试。

20、通过纳米压痕测试及计算所得数据，计算光刻光学元件的弹塑性加载函数p1(h)和弹性卸载函数p2(h)：

21、p1(h)＝cphb；p2(h)＝ce(h-hfvmax)b；

22、式中，cp和ce分别是与弹塑性加载和弹性卸载的材料特性与压头几何形状相关的系数，b为幂律指数，h为压痕深度，hfvmax为高应力双折射区有效最终压痕深度。

23、据此，加载阶段所做的功wp：

24、

25、卸载阶段弹性力所做的功we：

26、

27、式中，p(h)为卸载函数，a为实验所得的拟合参数，b为幂律指数，hmaxvmax为最大压痕深度，hfvmax为最终压痕深度，p1max为应力双折射最高值区域的纳米压痕测试所得最大压痕深度平均值hmaxvmax对应的弹塑性卸载函数值，p2max为应力双折射最高值区域的纳米压痕测试所得最大压痕深度平均值hmaxvmax和最终压痕深度hfvmax对应的弹性卸载函数值。

28、在载荷位移曲线中，加载和卸载曲线包围的净面积代表塑性变形中损失的能量和残余表面应力的弹性能。净面积可由载荷p相对于深度h进行积分计算：

29、

30、分别选取应力双折射值最高的区域和应力双折射值最低的区域的有效纳米压痕数据中弹性模量mmax和mmin最接近平均值mvmax和mvmin的两个载荷-位移曲线chart1、chart2，记chart1的弹性卸载曲线和chart2的弹塑性加载曲线相交于b点，chart1的起始点为o点、最高点为a点，chart1的卸载曲线与横轴交点的位移值为hfch1。塑性变形由残余压痕决定，因此，由曲线oa、ab、ob包围的净面积为残余应力的弹性能：

31、

32、通过等双轴残余应力状态的残余压痕近似计算残余应力的能量贡献：

33、

34、式中，α是残余压痕的圆锥半角，也可以认为是其它尖锐压头的几何校正因子。

35、则最大残余应力为：

36、

37、测试激光辐照能量密度为ii(i＝1,2,3,…)的光刻光学元件吸收率，绘制能量密度-吸收率曲线，判断曲线波动σa是否在20％内，如果在，取吸收率中位数对应的能量密度uamedian进行测试；如果不在，则分别取最大吸收率、最小吸收率和吸收率中位数对应的能量密度uamax、uamedian、uamin进行测试，测试结果取平均值。

38、在激光出射口设置分束镜，通过激光能量计测试实际出射光束的一部分能量，根据分束光能量比例计算得到入射到光刻光学元件的实际能量i1。在激光光路上设置留有光路通孔的可调温度的恒温实验箱，将光刻光学元件置于试验箱内的光路上。在光路末端设置高精度激光能量计，用于测试通过光刻光学元件后的激光能量i2。测试吸收率a＝1-i2/i1。以δt为间隔，测试从tmin℃到tmax℃的光刻光学元件吸收率数据。将所得数据进行拟合，得到光刻光学元件吸收率随温度的变化函数a(t)。

39、测定光刻光学元件在高性能激光器下能达到的最高输出功率p，用光束质量分析仪测量该光刻光学元件在高性能激光器下的光束质量因子m2。

40、s4、基于主成分分析法建立光刻光学元件的综合性能评价模型。

41、步骤a：分别将不同入射激光参数辐照下各种缺陷增长速率的矩阵v和不同缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数影响系数的矩阵k进行标准化，计算公式为

42、不同激光参数对各种缺陷浓度增长速率的标准化特征矩阵

43、

44、其中，vij为标准化处理后的数据，vij为原始数据，为第i个缺陷增长速率的平均值，sj为数据标准差；

45、

46、不同缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数影响系数的标准化特征矩阵

47、

48、其中，kij为标准化处理后的数据，kij为原始数据，为第i个缺陷增长速率的平均值，sj为数据标准差；

49、

50、步骤b：分别计算不同激光参数对各种缺陷浓度增长速率的标准化特征矩阵kstand的协方差矩阵rk和不同缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数影响系数的标准化特征矩阵vstandard的协方差矩阵rv。

51、不同激光参数对各种缺陷浓度增长速率的标准化特征矩阵kstand的协方差矩阵

52、

53、

54、不同缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数影响系数的标准化特征矩阵vstandard的协方差矩阵

55、

56、

57、步骤c：计算不同激光参数对各种缺陷浓度增长速率的标准化特征矩阵kstand的协方差矩阵rk和不同缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数影响系数的标准化特征矩阵vstandard的协方差矩阵rv的特征值和特征向量，并进行标准化；

58、rk的特征值：λk1≥λk2≥…≥λkd≥0；

59、rk的特征向量：lk1＝[lk11,lk12,l13]t，lk2＝[lk21,lk22,lk23]t，…，lkd＝[lkd1,lkd2,lkd3]t；

60、rv的特征值：λv1≥λv2≥λv3≥λv4≥λv5≥0；

61、rv的特征向量：lv1＝[lv11,lv12,lv13,lv14,lv15]t，lv2＝[lv21,lv22,lv23,lv24,lv25]t，lv3＝[lv31,lv32,lv33,lv34,lv35]t，lv4＝

62、[lv41,lv42,lv43,lv44,lv45]t，lv5＝[lv51,lv52,lv53,lv54,lv55]t；

63、其中，特征向量长度均为1。

64、步骤d：得到关于不同入射激光参数辐照下各种缺陷浓度增长速率的主成分fki和关于不同缺陷对激光辐照下光刻光学元件各性能参数影响系数的主成分fvi；

65、fki＝lki1k1+lki2k2+…+lkidkd,(i＝1,2,…,d)；

66、fvi＝lvi1v1+lvi2v2+lvi3v3+lvi4v4+lvi5v5,(i＝1,2,3,4,5)；

67、步骤e：建立关于激光参数-缺陷-性能参数耦合的光刻光学元件综合性能评价模型f1；

68、其表达式为

69、

70、步骤f：由此建立关于力学性能参数-光学性能参数的光刻光学元件综合性能评价模型f2。

71、其表达式为

72、

73、

74、时，f2＝0。

75、其中，a,b,c,d,e,f,g,h,i分别为各性能参数的权重因子，通过光刻光学元件使用工况和光刻光学元件材料特性综合获得；ymax和ymin、hvmax和hvmin、mvmax和mvmin、svmax和svmin分别为应力双折射值最高区和应力双折射值最低区的应力双折射值、硬度、弹性模量、接触刚度；σresidual为光刻光学元件表面的最大残余应力；p为光刻光学元件的最大输出功率；m2为光刻光学元件在高性能激光器下的光束质量因子；a(t)为光刻光学元件吸收率随温度变化的函数；te为光刻光学元件在使用工况下的最高环境温度；tr为激光器断电状态下的环境温度；hthreshold、mthreshold、sthreshold、σresidualthreshold、pthreshold、ythreshold、m2threshold、athreshold根据光刻光学元件使用工况下的具体条件给出。

76、步骤h：确定光刻光学元件的综合性能指标f；

77、其表达式为

78、

79、其中，f1为关于激光参数-缺陷-性能参数耦合的光刻光学元件综合性能评价模型指标；f2为关于力学性能参数-光学性能参数的光刻光学元件综合性能评价模型指标；f1max和f2max为光刻光学元件各性能参数最高时的综合评价指标；当f＝0时，判定该光刻光学元件已损伤。

80、s5、建立入射激光参数-光刻性能参数-光刻光学元件综合性能评价指标的数据集，对特定辐照下的光刻光学元件进行综合性能预测；

81、根据入射激光参数对缺陷增长影响的实验数据以及缺陷对光刻性能参数影响的实验或模拟结果，建立特定激光辐照下对元件光刻性能参数的对应关系，结合s4中光刻性能参数判定综合评价指标的数据，通过训练搭建双层神经网络，来实现对特定辐照下的光刻光学元件进行综合性能预测。

82、本发明方法的提出针对光刻光学元件性能评估的三个问题：(1)光刻光学元件在不同激光参数下的劣化损伤机制不同，导致单一参数下激光对光刻光学元件的性能评估不足以表达该光刻光学元件的全部特性，使得光刻光学元件的性能评估结果与其实际使用过程中的表现不具有匹配性；(2)由于光刻光学元件损伤影响因素的多样性及其对多个性能指标要求的复杂性，现有的评价方法无法对光刻光学元件损伤过程中的性能指标变化进行评判；(3)目前对于光刻光学元件的性能评估仅仅基于几种有限的指标测量，有一定作用但评价结果不够直观准确，缺乏理论指导，需要一定的测试经验积累。

83、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

84、1.通过不同参数激光的有效评估，得到光刻光学元件辐照过程中关键参量在不同参数激光下的变化速率，表达出光刻光学元件在不同参数激光辐照下的不同机制，使得评估结果更具有普适性；

85、2.得到关键参量变化对于光刻光学元件各个性能指标的影响，与激光参数对关键参量的影响结合，表达该光刻光学元件各个性能指标在激光辐照过程中的变化特性，与光刻光学元件的实际使用过程更具有匹配性；

86、3.综合考虑了光刻光学元件的力学和光学性能指标及其对于不同工况、不同功能光刻光学元件综合性能的影响权重，给出了一个适用性强、更直观的光刻光学元件综合性能指标。