DE102007028637A1

DE102007028637A1 - Verfahren zur dreidimensionalen Charakterisierung von optischen Materialien

Info

Publication number: DE102007028637A1
Application number: DE200710028637
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Letz; Lutz Dr. Parthier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Hellma Materials GmbH and Co KG
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2008-12-24

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Untersuchung der optischen Eigenschaften eines Festkörpers beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in den Festkörper ein Lichtstrahl eingeleitet wird, die darin generierte Brillouin-Streuung gemessen wird, und aus dem Messwert auf die optischen Eigenschaften des Festkörpers rückgeschlossen wird. Bevorzugte Festkörper sind Glas, Quarz sowie Kristalle.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur dreidimensionalen Qualitätskontrolle von optischen Eigenschaften von Kristallen, insbesondere von Fluoridkristallen wie z. B. CaF₂.
Optische Bauteile aus hierfür geeigneten Materialien, wie z. B. aus Quarzglas, Glas oder aus Kristallen, weisen eine hohe Transparenz für elektromagnetische Wellen bis tief in den kurzwelligen Bereich auf und werden daher häufig für die Herstellung von Linsen verwendet, die für kurzwelliges Licht durchlässig sein müssen. Solche Linsen werden z. B. in der optischen Industrie oder für optische Komponenten in der DUV Mikrolithographie, wie für Stepper oder Excimerlaser verwendet. Hier wird die optische Auflösung (und damit der Mindestabstand von lithographisch herstellbaren Strukturen) maßgeblich von der Wellenlänge des verwendeten Lichts dominiert.
Bei der Mikrolithographie wird daher in der Regel Licht kurzer Wellenlängen, insbesondere UV-Licht verwendet. Da man bei der Mikrolithographie überdies auf höchste Lichtintensitäten angewiesen ist, werden als Lichtquellen in der Regel Laser verwendet. Hier werden insbesondere Excimerlaser mit 193 nm Wellenlänge. Die Verwendung von 157 nm wird derzeit untersucht.
Diese kurzwellige, im DUV-Bereich angesiedelte Strahlung stellt hohe Anforderungen an das Material des optischen Systems. Als für die optischen Systeme für die Mikrolithographie geeignete Materialien haben sich neben Quarz vor allem kristalline Materialien wie z. B. Flussspat (CaF₂) erwiesen. Diese Materialien zeigen auch bei kurzen Wellenlängen, also bei energiereicher Strahlung, eine hinreichende Transmission. Weitere geeignete Materialien sind die Fluoridkristalle MgF₂, BaF₂, SrF₂, LiF und NaF.
Optische Kristalle werden in der Regel als sogenannte Einkristalle durch geeignete Zuchtverfahren hergestellt. Einkristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie über ihr gesamtes Volumen hinweg eine einheitliche Orientierung aufweisen, was eine Voraussetzung dafür ist, dass eine hohe optische Homogenität im gesamten Kristall vorliegt. Allerdings können bei solchen Zuchtverfahren Fehler, insbesondere Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter, auftreten, durch welche optische Eigenschaften beeinträchtigt werden. Derartige Fehler sind mit dem bloßen Auge nicht immer erkennbar.
Um möglichst hohe Abbildungsqualitäten (und damit gute Lithographieergebnisse) zu erzielen, ist es erforderlich, dass die Einkristalle, aus denen später optische Bauteile hergestellt werden sollen, eine große Homogenität ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere des Brechungsindexes, aufweisen. Dabei sollten Differenzen im Brechungsindex über das gesamte optische Bauteil möglichst maximal 10^–6 und vorzugsweise weniger betragen. Weiterhin sollte das Material möglichst geringe Kleinwinkelkorngrenzen sowie möglichst geringe Spannungsdoppelbrechungen aufweisen.
Es wurden insbesondere von der vorliegenden Anmelderin Kristallzuchtverfahren entwickelt, die darauf abzielen, solche Fehler zu vermeiden und möglichst große optische Qualität der herzustellenden Einkristalle sicherstellen.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Prüfung der optischen Eigenschaften, insbesondere der Homogenität des Brechungsindexes von Kristallen, insbesondere Kristallglaslinsen bekannt. Gemäß einem Verfahren wird das Material mit Hilfe von gekreuzten Polfiltern und Messungen, die den Phasenunterschied zwischen zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Polarisationsrichtung messen (Hind's Gerät) auf Spannungsfreiheit und Homogenität des Brechungsindexes geprüft. Ein weiteres Verfahren, mit dem das Verkippen von Korngrenzen beobachtet werden kann ist Röntgentomographie.
Bei den genannten Verfahren werden die über die gesamte Dicke des Probenmaterials gemessenen Werte (z. B. für den Phasenunterschied zwischen den beiden Polarisationsrichtungen) aufsummiert, oder es wird nur in einem dünnen Bereich an der Oberfläche gemessen. Man erhält also lediglich ein über die Dicke der Probe integriertes Bild oder ein Oberflächenbild von den optischen Eigenschaften des Kristalls. Eine dreidimensionale Auflösung ist hingegen mit diesen Verfahren nicht möglich.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, mit welchem sich die optischen Eigenschaften eines optischen Materials bzw. Festkörpers, insbesondere örtliche Änderungen seiner optischen Eigenschaften im dreidimensionalen Kristallvolumen wie die Homogenität des Brechungsindexes sowie etwaige Korngrenzen und/oder spannungsinduzierte Änderungen von optischen Eigenschaften dreidimensional ortsaufgelöst zu bestimmen. Auf diese Weise ist es möglich aus einem Festkörper optisch homogene Volumenteile herauszuschneiden und diese dann zu optischen Elementen weiterzuverarbeiten. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit welcher sich die optischen Eigenschaften eines Festkörpers dreidimensional ortsaufgelöst bestimmen lassen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß den vorliegenden unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen an.
Demnach ist ein Verfahren zur Untersuchung der optischen Eigenschaften eines optischen Festkörpers bzw. eines Festkörpers für optische Zwecke vorgesehen, bei welchem in den Festkörper eine elektromagnetische Strahlung eingeleitet wird, die im Festkörper generierte Brillouin-Streuung gemessen wird, und aus dem Messwert auf Änderungen von mechanischen Eigenschaften, der lokalen Schallgeschwindigkeit auf die optischen Eigenschaften des Festkörpers rückgeschlossen wird. Bevorzugte Strahlung ist Licht einer Wellenlänge von 1200 nm bis 200 nm. Besonders bevorzugt ist Laserlicht, insbesondere von He-Ne Lasern (633 nm) von roten Halbleiterlasern (GaAs circa 630 nm) oder Ar-Ionenlasern (458 nm, 488 nm oder 515 nm). Optische Festkörper gemäß der vorliegenden Erfindung sind insbesondere solche optischen Festkörper, welche für elektromagnetische Strahlung wie IR, sichtbares UV sowie tiefes UV durchlässig sind. Typische Materialien sind beispielsweise Glas, insbesondere Quarzglas, Quarz sowie Kristalle.
Die Brillouin-Streuung ist eine Art der optischen Streuung, die auf einer Wechselwirkung optischer Wellen mit Schallwellen wie den akustischen Gitterschwingungen (akustische Phononen) beruht. Ein Phonon ist dabei ein Quasiteilchen, das in der Festkörperphysik angenommen wird, um die Eigenschaften der quantenmechanisch beschriebenen Gitterschwingungen in einem Festkörper besser beschreiben zu können. Phononen sind delokalisiert, das heißt ein Phonon existiert im ganzen Festkörpergitter und lässt sich keinem bestimmten Ort zuordnen. Man unterscheidet zwischen akustischen und optischen Phononen. Akustische Phononen (auch als longitudinale Schallquanten bezeichnet) entsprechen weitestgehend den Schallwellen, die sich durch den Atomverbund des Festkörpers fortpflanzen. Hierbei bewegen sich alle Atome einer Einheitszelle in Phase, während sich die Atome einer Einheitszelle bei optischen Phononen gegenphasig bewegen.
Wenn ein Festkörper oder eine Flüssigkeit mit einem darin eingestrahlten Photon wechselwirkt, kann es zur einer Übertragung von Energie aus akustischen oder optischen Phononen kommen. Eine solche inelastische Streuung von Photonen an akustischen Phononen wird nach ihrem Entdecker als Brillouin-Streuung bezeichnet. Die inelastische Streuung an optischen Phononen wird hingegen Raman-Streuung genannt.
Bei einer Streuung z. B. in Rückwärtsrichtung kommt es zu einer Überlagerung von Schall- und Lichtwellen, so dass eine neue gestreute Lichtwelle entsteht, die um die Energie der Schallwelle verschoben ist. Das Detektieren erfolgt üblicherweise mit einer Frequenzauflösung von 20 bis 100 MHz. Die Energie- bzw. Frequenzverschiebung selbst liegt dabei üblicherweise in der Größenordnung von 11 GHz für das gestreute Licht.
Festkörper, insbesondere Kristalle, sind, auch wenn sie eine kubische Symmetrie aufweisen (wie z. B. CaF₂-Kristalle), bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften anisotrop. Das heißt beispielsweise für die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls, dass diese für Schallwellen entlang unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen (z. B. 111 oder 110 oder 100 etc.) verschieden ist.
Dies liegt daran, dass die mechanischen Eigenschaften (d. h. die Federkonstante gemäß dem verallgemeinerten Hookschen Gesetz) durch einen Tensor vierter Stufe (stiffness tensor C_ijkl) gegeben sind:
Hierbei beschreibt der Tensor (2. Stufe) σ_ij die Spannungen und der Tensor tilde
das Verschiebungsfeld.
Z. B. bleiben in einem kubischen Kristall 3 unabhängige Matrixelemente über, deren Werte z. B. für CaF₂ folgende sind:
C₁₁ = C₁₁₁₁ = C₂₂₂₂ = C₃₃₃₃ = 165 GPa;
C₁₂ = C₁₁₂₂ = C₁₁₃₃ = C₂₂₃₃ = C₃₃₁₁ = C₃₃₂₂ = 46 GPa;
C₄₄ = C₂₃₃₂ = C₁₃₃₁ = C₁₂₂₁ = 33.9 GPa.
Auf der anderen Seite ist ein kubischer Kristall bezüglich seiner optischen Eigenschaften extrem isotrop. Das liegt daran, dass die optischen Eigenschaften durch einen Tensor zweiter Stufe bestimmt werden: Di = εijEj Gleichung (2)
Hierbei ist D die dielektrische Verschiebung, E das elektrische Feld und ε der Tensor der dielektrischen Funktion. In kubischer Symmetrie gibt es für einen Tensor 2. Stufe keinen Unterschied zwischen kubischer Symmetrie und einem isotropen System.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine mechanische Eigenschaft, nämlich die lokale Schallgeschwindigkeit, genutzt, um Unregelmäßigkeiten in einem Festkörper dreidimensional zu charakterisieren.
Überraschenderweise hat sich nämlich in umfangreichen Untersuchungen der Anmelderin gezeigt, dass sich mit Hilfe der Brillouin-Streuung die optischen Eigenschaften eines Festkörpers bzw. ihre Änderung sehr genau bestimmen lassen.
Hierbei wird ausgenützt, dass viele Festkörper, insbesondere Kristalle und vor allem kubische Kristalle wie z. B. CaF₂, bezüglich ihrer optischen Eigenschaften nahezu vollständig isotrop (richtungsunabhängig) sind, während die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls eine starke Anisotropie zeigt, also stark richtungsabhängig ist.
Schon ein winziges Verkippen der Orientierung eines Teilbereiches, z. B. im Bereich einer Kleinwinkelkorngrenze, ändert die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls für eine gegebene Richtung und führt zu einem messbaren Effekt, nämlich einer Änderung der Brillouin-Streuung, da zwar in diesem Bereich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwellen nicht beeinflusst wird, wohl aber die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen.
Auf diese Weise können Änderungen der optischen Eigenschaften, insbesondere spannungsinduzierte Änderungen sowie des Brechungsindexes, aber auch Kleinwinkelkorngrenzen, mit hoher Sensitivität nachgewiesen werden.
Als Lichtquelle kommt für das genannte Verfahren bevorzugt ein Laser mit einer Kollimator-Optik zum Einsatz. Das im Kristall gestreute Licht weist eine große spektrale Breite auf, an dessen ausgehender Schulter die Brillouin-Strahlung als kleine Peaks erscheint. Diese werden vorzugsweise zum Analysieren aus der Hintergrundstrahlung herausgefiltert. Hierzu wird vorzugsweise ein Interferometer verwendet, insbesondere ein Tandem Fabry Perot Interferometer. Zur Detektion kommt bevorzugt ein Photomultiplier oder ein CCD mit einer Betriebs- und Auswerteelektronik zum Einsatz.
In einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Licht über eine Flüssigkeitsimmersion in den Festkörper eingeleitet, insbesondere um Reflexionen an seiner Oberfläche zu verhindern. Dabei steht eine Kollimator-Optik insbesondere über einem Flüssigkeitsfilm mit dem Festkörper in Verbindung. Bevorzugte Flüssigkeiten sind beispielsweise Öl oder Wasser sowie andere geeignete organische Flüssigkeiten. Diese Vorgehensweise ist besonders bei stark streuenden (sägerauen) Oberflächen zweckmäßig. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig die Frontlinse der Belichtungsoptik in die Immersionsflüssigkeit einzutauchen.
Auf diese Weise ist es möglich, einen Lichtstrahl auf einen Brennpunkt im Festkörper zu fokussieren und an diesem dann die entsprechenden zuvor beschriebenen Effekte zu bestimmen. Die Größe des Brennpunktes hängt unter anderem von der angestrebten Auflösung und Sensitivität ab und beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 μm³ bzw. 0,2 μm³, wobei mindestens 0,5 μm³ bevorzugt ist. Bevorzugte Maximalwerte betragen 200 μm³ bzw. 180 μm³, wobei maximal 150 μm³ bzw. 130 μm³ und insbesondere 100 μm³ bevorzugt sind. Typische Brennpunktgrößen betragen 30–40 μm³. Besonders genaue Werte werden mit Größen von ca. 0,2 μm³ erhalten.
Die Brillouin-Streuung wird bevorzugt in einem Winkel zwischen 90° und 180° zur Einstrahlungsrichtung des eingeleiteten Lichts gemessen.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass bei dem Verfahren Schritte vorgesehen sind, mit welchen sich die optischen Eigenschaften des Kristalls dreidimensional ortsaufgelöst messen lassen.
Hierzu wird das gesamte Festkörpervolumen oder zumindest ein Teil davon mittels voneinander beabstandeten Brennpunkten rasterförmig abgetastet bzw. gescannt. Dabei hängt der Abstand der Rasterpunkte von der gewünschten Auflösung ab. Bevorzugte Mindestabstände betragen 0,1 bzw. 0,5 mm, wobei Mindestgrößen von 1 bzw. 1,2 mm zweckmäßig sind. Bevorzugte Obergrenzen betragen beispielsweise 100 mm bzw. 50 mm sowie insbesondere 20 mm bzw. 10 und 7 mm, wobei maximal 5 bzw. 4 mm besonders zweckmäßig sind. Typische Werte betragen üblicherweise 2 bis 3 mm.
Hier kann z. B. vorgesehen sein, dass die elektromagnetische Welle erzeugende Quelle und deren Optik auf einer dreidimensionalen Abtast- bzw. Scanvorrichtung angeordnet sind, mit welcher der Kristall in X-, Y- und Z-Richtung abgetastet wird. Umgekehrt kann auch der zu untersuchende Festkörper auf einer dreidimensionalen Scanvorrichtung angeordnet sein und in X-, Y- und Z-Richtung bewegt werden.
Ebenso kann in einer alternativen Ausgestaltung ein zweidimensionales Array von Lichtquellen, z. B. Lasern, verwendet werden, das lediglich in Z-Richtung bewegt wird; hier kann als Detektionseinheit ebenfalls ein Detektorarray verwendet werden.
Die Genauigkeit der Ortsauflösung dieser Vorgehensweise wird durch die Größe des optischen Fokus der Brillouin-Streuungsapparatur begrenzt. Dieser ist typischerweise kleiner als 0,2 mm. Dies erlaubt eine dreidimensionale Charakterisierung bis in den Submillimeter-Bereich. Für praktische Anwendungen ist es sinnvoll, das Material mit einem groben Raster durchzuscannen (z. B. 0,5 mm^–1 cm Abstände zwischen den Messpunkten), so dass sich auf diese Weise eine dreidimensionale Karte der Spannungstensoren des Festkörpers erstellen lässt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist neben Glas und Quarz besonders für kubische Kristalle, insbesondere für Fluorid-Kristalle geeignet. Besonders bevorzugt sind CaF₂-Kristalle. Weiterhin bevorzugte Kristallmaterialien sind MgF₂, BaF₂, SrF₂, LiF und NaF. Weitere geeignete Kristalle sind z. B. Granate wie Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG) oder Spinelle wie z. B. MgAl₂O₄ sowie Mischungen davon.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung eines lichtbrechenden Bauteils aus einem optischen Festkörper vorgesehen. Dabei wird mit Hilfe eines der vorgenannten Verfahren ein dreidimensionaler Bereich in dem Festkörper identifiziert bzw. kartiert, der mit dem vorgenannten Verfahren bestimmbare homogene optische Eigenschaften aufweist bzw. bestimmte optische Eigenschaftsgrenzwerte nicht über- oder unterschreitet.
Nach genauer Bestimmung der dreidimensionalen Lage eines Bereiches mit besonders guter Homogenität der optischen Eigenschaften kann dieser für ein herzustellendes Bauteil gezielt aus dem Raumvolumen des Festkörpers herausgeschnitten werden.
Besonders bevorzugt ist dann vorgesehen, dass das herzustellende Bauteil gezielt aus dem zuvor bestimmten Bereich aus dem Volumen herausgearbeitet wird.
Auf diese Weise ist es möglich in einem Festkörperblock dreidimensionale Bereiche zu identifizieren, die eine Mindesthomogenität an optischen Eigenschaften wie spannungsinduzierte Änderungen und des Brechungsindexes aufweisen. Ist der Festkörper ein Kristall, so lassen sich dabei auch die Bereiche bestimmen, die eine gleiche Kristallorientierung zeigen bzw. in denen eine Änderung der Kristallorientierung erfolgt. Da an den Rändern von Kleinwinkelkorngrenzen Spannungen auftreten, die die optische Homogenität des Materials stören, können auch diese Bereiche gezielt, z. B. bei der Herstellung von Linsenrohlingen, entfernt werden. Dabei wird es insbesondere ermöglicht, möglichst große Bereiche aus dem Festkörper herauszuschneiden bzw. – bei Kenntnis der verschiedenen Zonen hoher Homogenität – Bereiche für herzustellende optische Bauteile vorauszuwählen. Auf diese Weise kann der anfallende Verschnitt weitestmöglich reduziert werden, und die Ausbeute des Produktionsprozesses sowie die Qualität der herzustellenden Bauteile (Linsen, Prismen, etc.) wird auf diese Weise erheblich erhöht.
Es ist ferner erfindungsgemäß ein lichtbrechendes Bauteil aus einem optischen Festkörper vorgesehen, das mit einem der beschriebenen Verfahren herstellbar ist.
Bei einem solchen Bauteil kann es sich z. B. um eine Linse, ein Prisma oder ein anderes lichtbrechendes Bauteil handeln, wie z. B. Lichtleitstäbe, optische Fenster sowie optische Komponenten für die DUV-Photolithographie, Stepper, Excimerlaser, Wafer, Computerchips, sowie integrierte Schaltungen und elektronische Geräten, die solche Schaltungen und Chips enthalten.
Bevorzugt besteht ein solches Bauteil aus einem Kristall wie einem kubischen Kristall, insbesondere aus einen Fluorid-Kristall wie z. B. CaF₂. Weiterhin bevorzugte Kristallmaterialien sind MgF₂, BaF₂, SrF₂, LiF und NaF. Weitere geeignete Kristalle sind z. B. Granate wie Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder Lutetium-Aluminium-Granat (LuAG) oder Spinelle wie z. B. MgAl₂O₄ sowie Mischungen davon.
Aufgrund der Vorzüge des genannten Verfahrens ist es möglich, solche lichtbrechenden Bauteile mit einer homogenen, konstanten Schallausbreitungsgeschwindigkeit herzustellen, in welchen das an den Schallmoden gestreute Licht aufgrund der geringen Anisotropie der elastischen Eigenschaften eine lokale Frequenzvarianz von maximal 1 GHz, besonders bevorzugt von maximal 0.4 GHz, aufweist. Solche Bauteile weisen Homogenitäten des Brechungsindexes von etwa 10^–6 und weniger auf.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren vorgesehen, die eine Lichtquelle mit einer Optik, sowie ein Interferometer mit angeschlossener Detektions- und Auswerteelektronik zur Detektion und Analyse der Brillouin-Streuung aufweist. Bei der Lichtquelle kann es sich z. B. wie oben beschrieben um einen Halbleiterlaser mit einer Kollimator-Optik handeln. Bei dem Interferometer handelt es sich vorzugsweise um ein Tandem Fabry Perot Interferometer. Zur Detektion kommt bevorzugt ein Photomultiplier oder ein CCD mit einer Betriebs- und Auswerteelektronik zum Einsatz.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung wird Licht über eine Flüssigkeitsimmersion in den Festkörper eingeleitet, insbesondere um Reflexionen an seiner Oberfläche zu verhindern. Hier kann die Kollimator-Optik insbesondere über einen Flüssigkeitsfilm mit dem Festkörper in Verbindung stehen.
Die Lichtquelle kann überdies auf einer dreidimensionalen Scanvorrichtung angeordnet sein, mit welcher der Festkörper, insbesondere sein Raumvolumen, in X-, Y- und Z-Richtung abgetastet wird. Umgekehrt kann auch der Festkörper auf einer dreidimensionalen Scanvorrichtung angeordnet sein und in X-, Y- und Z-Richtung bewegt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Verwendung von nach den erwähnten Verfahren vermessenen bzw. hergestellten Festkörpern zur Herstellung von Linsen, Prismen, Lichtleitstäben, optischen Fenstern sowie optischen Komponenten für die DUV-Photolithographie, Steppern, Excimerlasern, Wafern, Computerchips, sowie integrierten Schaltungen und elektronischen Geräten, die solche Schaltungen und Chips enthalten, vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden diskutierten Beispiele und Abbildungen genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele und Abbildungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine Lichtquelle 11 in Form eines Diodenlasers mit einer Kollimator-Optik 12 aufweist. Das Laserlicht wird – ggf. über eine nicht darge stellte Flüssigkeitsimmersion – in einen Kristall 13 eingeleitet, der in 1 symbolhaft als Kristall mit kubischflächenzentriertem Gitter dargestellt ist. Bei dem Kristall 13 handelt es sich insbesondere um einen Fluoridkristall, wie z. B. einen CaF₂-Kristall. Insbesondere handelt es sich bei dem Kristall um einen Einkristall. Auf diese Weise ist es möglich, den Lichtstrahl auf einen Punkt 15 im Kristall 13 zu fokussieren (beispielsweise 1 μm³).
Die durch die genannten Wechselwirkungen zwischen dem eingestrahlten Licht und den akustischen Gitterschwingungen (akustische Phononen) generierte Brillouin-Streuung wird mit einem Interferometer 14 gemessen; hierbei handelt es sich bevorzugt um ein Fabry Perot Interferometermeter. Zur Detektion kommt bevorzugt ein nicht dargestellter Photomultiplier oder ein CCD mit einer Betriebs- und Auswerteelektronik zum Einsatz. Die Brillouin-Streuung wird bevorzugt in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Einstrahlungsrichtung des eingeleiteten Lichts gemessen.
Der Laser 11 und seine Optik 12 sind auf einer symbolhaft dargestellten dreidimensionalen Scanvorrichtung 15 angeordnet, mit welcher der Kristall 13 in X-, Y- und Z-Richtung abgetastet wird. Solche Vorrichtungen als solches sind in verschiedensten Ausführungen dem Fachmann bekannt. Umgekehrt kann auch der Kristall auf einer dreidimensionalen Scanvorrichtung angeordnet sein und in X-, Y- und Z-Richtung bewegt werden.
Auf diese Weise lässt sich die Homogenität von optischen Eigenschaften wie des Brechungsindexes im Kristall dreidimensional ortsaufgelöst und mit hoher Genauigkeit erfassen. Mit den so erzielten Kenntnissen können dann im Kristall 13 Bereiche ausreichend hoher Homogenität des Brechungsindexes definiert werden, aus denen dann lichtbrechende Bauteile, wie z. B. Linsen und dergleichen, herausgeschnitten werden können. Auf diese Weise kann der anfal lende Verschnitt weitestmöglich reduziert werden, und die Ausbeute des Produktionsprozesses sowie die Qualität der herzustellenden Bauteile (Linsen, Prismen, etc.) wird erheblich erhöht.
2 zeigt exemplarisch Ergebnisse eines Scans der Brillouin-Streuung durch einen CaF₂-Kristall. 2A zeigt einen Scan in X-Richtung, während 2B einen Scan in Z-Richtung zeigt. Hinzu kommt ein Scan in Y-Richtung, der aus Gründen der Klarheit in 2 nicht gezeigt ist. Auf den X-Achsen der Grafiken ist die jeweilige Lage des Scanpunktes im Kristall in Millimetern angegeben, während auf der Y-Achse die durch Änderungen des Brechungsindex hervorgerufene Frequenzvarianz des durch Brillouin-Streuung zurückgeworfenen Lichts in GHz gezeigt ist. Der Scan in X-Richtung offenbart drei durch Kleinwinkelkorngrenzen voneinander getrennte Homogenitätsbereiche („domains"), während der Scan in Z-Richtung zwei durch Kleinwinkelkorngrenzen voneinander getrennte Homogenitätsbereiche offenbart. Die Frequenzvarianz liegt in beiden Fällen unterhalb von 1 GHz. Auf diese Weise lässt sich die Homogenität des Brechungsindexes im Kristall dreidimensional ortsaufgelöst und mit hoher Genauigkeit kartieren.

Claims

Verfahren zur Lokalisierung von Änderungen von optischen Eigenschaften in einem optischen Festkörper durch Einstrahlen einer elektromagnetischen Welle in den Festkörper dadurch gekennzeichnet, dass – die elektromagnetische Welle in einem im Festkörpervolumen liegenden Brennpunkt fokussiert wird, und – eine dort durch Interaktion der elektromagnetischen Welle mit Schallwellen erzeugte Brillouin-Streuung bestimmt und mittels dieser Streuung die optischen Eigenschaften und/oder ihre Änderungen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Festkörpervolumen die optischen Eigenschaften mehrerer voneinander beabstandeter Brennpunkte bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zumindest von einem Teil des Festkörpervolumens die optischen Eigenschaften mittels gerasteter Brennpunkte bestimmt und so die räumliche Lage von Änderungen/Störungen der optischen Eigenschaften erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte mindestens 0,2 mm voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte maximal 100 mm voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte ein Volumen von 0,1 bis 10 μm³ aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der optische Festkörper ein Kristall, Glas oder Quarz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall ein kubischer Kristall ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass a) ein dreidimensionaler Bereich im Volumen des Festkörpers bestimmt wird, in dem Änderungen der Brillouin-Streuung vorgegebene Grenzwerte nicht über- oder unterschreiten, und b) dieser Bereich gezielt aus dem Festkörper herausgeschnitten und daraus ein lichtbrechendes Bauteil erzeugt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1–9 dadurch gekennzeichnet, dass sie: a) eine Halterung zum Lagern eines dreidimensional verschiebbaren optischen Festkörpers, b) eine Lichtquelle mit einer Optik zum Erzeugen von Brillouin-Streuung in einem Brennpunkt im Festkörper, c) ein Interferometer mit angeschlossener Detektions- und Auswerteelektronik zur Detektion der erzeugten Brillouin-Streuung aufweist.
Verwendung von nach einem Verfahren gemäß der Ansprüche 1–9 bestimmten optischen Festkörpern zur Herstellung von Bauteilen ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Linsen, Prismen, Lichtleitstäbe, optische Fenster sowie optische Komponenten für die DUV-Photolithographie, Stepper, Excimerlaser, Computerchips sowie integrierte Schaltungen und elektronische Geräte, die solche Schaltungen und Chips enthalten.