DE102010038648A1

DE102010038648A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels sowie Laserkristallisationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010038648A1
Application number: DE201010038648
Authority: DE
Inventors: Holger Münz
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Die Erfindung besteht in einer Vorrichtung (100) zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels (101) mit einem Phasenstufen aufweisenden Phasengitter (103) mit einer Strahleinfallfläche (103a), auf die das Strahlbündel (101) einfällt, und einer Strahlaustrittsfläche (103b), aus der das Strahlbündel austritt, mit einer auf der Seite der Strahlaustrittsfläche (103b) des Phasengitters (103) angeordnete Fourieroptik (103) mit einer Strahleinfallfläche (105a), auf die das von dem Phasengitter (103) kommende Strahlbündel (101) einfällt, und einer Strahlaustrittsfläche (105b), aus der das Strahlbündel (101) austritt, mit einem auf der Seite der Strahlaustrittsfläche (105b) der Fourieroptik (105) angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor (107), um eine oder mehrere Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120) mit einer jeweiligen örtlichen Ausdehnung und einer jeweiligen Lage einer aufgrund des Strahlbündels (101) entstehenden Beugungserscheinung zu erfassen, mit einer Ermittlungseinrichtung, um die Ausdehnung und/oder die Lage von wenigstens einer der von dem Detektor (107) erfassten Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120) zu ermitteln, und mit einer Bestimmungseinrichtung, um aus den von der Ermittlungseinrichtung ermittelten Ausdehnungen und/oder Lagen die Divergenz und/oder die Wellenfrontkrümmung des Strahlbündels (101) zu bestimmen. Die Erfindung besteht ferner in einem entsprechenden Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels (101).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12. Die Erfindung betrifft weiter eine Laserkristallisationsvorrichtung, welche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels ausgestattet ist bzw. bei der das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels angewandt wird.
Aus der US 7,061,959 B2 ist eine zur Laserkristallisation von amorphem Silizium auf einem flächigen Substrat verwendete Beleuchtungseinrichtung bekannt. Diese erzeugt aus einem gepulsten Excimer-Laserstrahl mit nahezu quadratischem Querschnitt einen langgestreckten Linienstrahl mit einer Strahlbreite von etwa 5 μm und einer Strahllänge von etwa 730 mm. Dieser Linienstrahl wird über das Substrat geführt und transformiert dabei amorphes Silizium zu polykristallinem Silizium.
Um eine gleichmäßige Kristallisation über dem gesamten Substrat zu erhalten, ist es erforderlich, dass sich das Strahlprofil in kurzer Achsrichtung über die gesamte Strahllänge möglichst nicht ändert. Die Herstellung eines derartigen Linienstrahls mit vorbestimmtem Intensitätsprofil erfordert eine ständige Überwachung der Fernfeldverteilung des Laserstrahls, um bei Abweichungen von einer vorbestimmten Sollverteilung eine Nachregelung durchführen zu können. In dem in der US 7,061,959 B2 beschriebenen Beleuchtungssystem sind daher an unterschiedlichen Stellen im Strahlengang Detektoren zur Bestimmung des Strahlprofils und der Pulsweite vorgesehen. In der Praxis wird derzeit an den angegebenen Orten eine Messung der Fernfeldverteilung des Laserstrahls in der Brennebene einer Fourierlinse durchgeführt. Die Brennweiten betragen ca. 350 mm bzw. ca. 980 mm. Aufgrund der Messung in einer festen Ebene kann die Wellenfrontkrümmung nicht bestimmt werden. Die Breite des gemessenen Profils (d. h. die Divergenz) hängt jedoch von der Wellenfrontkrümmung ab. Messungen der minimalen Felddivergenz sind nicht möglich.
Eine kostengünstige Variante zur Bestimmung von Wellenfrontkrümmung und der Minimum-Spot-Divergenz zur Qualifikation des Lasers besteht darin, die Kamera aus der Brennebene heraus aktiv in die Ebene mit dem kleinsten Strahldurchmesser zu verschieben. Aufgrund der Geometrie des Beleuchtungssystems ist dies jedoch nicht möglich.
Die Krümmung einer Wellenfront einer optischen Welle kann auch mit Hilfe des sogenannten Hartmann-Shack-Sensors (auch ”Shack-Hartmann-Sensor”) bestimmt werden. Der Hartmann-Shack-Sensor besteht üblicherweise aus einem zweidimensionalen Linsenarray und einem in der Fokusebene angeordneten zweidimensionalen optischen Detektor. Jede der Linsen des Linsenarrays erzeugt in der Fokusebene ein Bild des auf diese treffenden Teilstrahlenbündels der auf das zweidimensionale Linsenarray einfallenden Wellenfront. Dadurch entsteht auf dem optischen Detektor ein charakteristisches Punktmuster. Bei einer ebenen und senkrecht einfallenden Wellenfront stimmen die Abstände der Punkte untereinander mit denen der Linsen untereinander überein. Bei einer gekrümmten Wellenfront sind die Abstände der Punkte entsprechend der lokalen Neigung der Wellenfront gegenüber der durch die ebene und senkrecht einfallende Wellenfront definierte Referenzposition verschoben. Die jeweilige Verschiebung kann mit ortsempfindlichen Detektoren, beispielsweise einem CMOS- bzw. CCD-Kamera-Chip gemessen werden. Durch Analyse der lokalen Ablenkungen der Punkte von ihren Referenzpositionen können Aussagen über das lokale Steigungsverhalten der einfallenden Wellenfront getroffen werden. Die mathematische Beschreibung der Wellenfront kann z. B. mit Hilfe von Zernike-Polynomen erfolgen.
Hat die einfallende optische Welle z. B. zwei zueinander senkrechte Vorzugsrichtungen, wie beispielsweise ein Strahl mit rechteckigem Strahlquerschnitt, so kann es ausreichend sein, ein eindimensionales Linsenarray mit nebeneinander angeordneten Zylinderlinsen zu verwenden. Die 8 und 9 zeigen beispielhaft die Bestimmung der Krümmung einer Wellenfront mit Hilfe eines eindimensionalen Shack-Hartmann-Sensors 900. Der Shack-Hartmann-Sensor 900 besteht aus einem in der xy-Ebene angeordneten Zylinderlinsenarray 902 mit im vorliegenden Ausführungsbeispiel sechs benachbart angeordneten Zylinderlinsen 904, 905, 906, 907, 908, 909 gleicher Art und Größe, deren Zylinderachsen in z-Richtung verlaufen. Im Abstand der Brennweiten f_Z der Zylinderlinsen 904, 905, 906, 907, 908, 909 ist ein flächiger lichtempfindlicher Detektor 910 angeordnet.
Die 8 zeigt den Fall, bei dem eine z. B. von einem nicht dargestellten Laser emittierte in z-Richtung propagierende ebene Welle 901 auf das Zylinderlinsenarray 902 trifft. Jede der Zylinderlinsen 904, 905, 906, 907, 908, 909 des Zylinderlinsenarrays 902 erzeugt in der Fokusebene 903 ein Bild 915, 916, 917, 918 des auf diese treffenden Teilstrahlenbündels 911, 912, 913, 914 der auf das Zylinderlinsenarray 902 einfallenden Wellenfront 901. Im vorgestellten Fall der ebenen einfallenden Welle 901 entstehen somit äquidistant angeordnete Linienfoki 919, 920, 921, 922, welche in der 8 rechts zur Verdeutlichung in der Projektion der xy-Ebene dargestellt sind.
Die 9 zeigt den Fall, bei dem eine z. B. von einem nicht dargestellten Laser emittierte in z-Richtung propagierende und in y-Richtung gekrümmte, jedoch in x-Richtung nicht gekrümmte Welle 931 auf das Zylinderlinsenarray 902 trifft. Jede der Zylinderlinsen 904, 905, 906, 907, 908, 909 des Zylinderlinsenarrays 902 erzeugt in der Fokusebene 903 ein Bild 936, 937, 938, 939 des auf diese treffenden Teilstrahlenbündels 932, 933, 934, 935 der auf das Zylinderlinsenarray 902 einfallenden Wellenfront 931. Im vorgestellten Fall der in y-Richtung gekrümmten einfallenden Welle 931 entstehen Linienfoki 940, 941, 942, 943, welche in der 9 rechts zur Verdeutlichung in der Projektion der xy-Ebene dargestellt sind. Diese Linienfoki 940, 941, 942, 943 sind entsprechend der lokalen Neigung der Wellenfront 931 gegenüber den durch die ebene und senkrecht einfallende Wellenfront 901 definierten Referenzpositionen 919, 920, 921, 922 verschoben. Eine der Verschiebungen ist durch das Bezugszeichen d_n in der 9 kenntlich gemacht.
Obwohl sich ein derartiger Shack-Hartmann-Sensor mit ggf. zylindrischem Linsenarray dem Grunde nach zur Strahlanalyse bewährt hat, ist ein derartiger Sensor insbesondere für hochpräzise Messungen vergleichsweise teuer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig realisierbare und wenig Bauraum benötigende Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Lichtstrahls bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Lichtstrahls mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder Wellenfrontkrümmung eines Lichtstrahls mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Einzelnen umfasst die Vorrichtung zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels nach der Erfindung ein Phasengitter, eine Fourieroptik und einen Detektor, die in geeigneter Weise zueinander angeordnet sind, sowie eine Auswerteeinrichtung, um die von dem Detektor aufgenommenen Intensitäten auszuwerten.
Phasengitter sind optische Beugungsgitter, bei denen die Phase, nicht aber die Amplitude, der durchlaufenden Lichtwelle beeinflusst wird. In einem idealen Phasengitter nimmt somit die Intensität nicht ab, weshalb man Phasengitter nicht ohne optische Hilfsmittel nachweisen kann. Stellt man ein Phasengitter in den Lichtstrahl vor einen Schirm, so ändert sich das Bild nicht. Es bedarf einer geeigneten Optik, um ein Beugungsbild zu erzeugen. Eine hierfür geeignete Optik ist eine Fourieroptik, also z. B. einer Linse, welche ein Beugungsbild in die Brennebene der Linse projiziert, sofern der einfallende Lichtstrahl vorher hinreichend parallel war.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass ein Strahlbündel auf eine Strahleinfallfläche des Phasenstufen aufweisenden Phasengitters einfällt und aus einer Strahlaustrittsfläche des Phasengitters wieder austritt. Auf der Seite der Strahlaustrittsfläche des Phasengitters ist die vorerwähnte Fourieroptik angeordnet. Auf eine Strahleinfallfläche dieser Fourieroptik fällt das von dem Phasengitter kommende Strahlbündel ein. Aus einer Strahlaustrittsfläche der Fourieroptik tritt das Strahlbündel wieder aus. Auf der Seite der Strahlaustrittsfläche der Fourieroptik ist ein strahlungsempfindlicher Detektor derart angeordnet, dass dieser eine oder mehrere Beugungsordnungen mit einer jeweiligen örtlichen Ausdehnung und einer jeweiligen Lage einer aufgrund des Strahlbündels entstehenden Beugungserscheinung erfassen kann. Beispielsweise kann der Detektor im Abstand der Brennweite der Fourieroptik angeordnet sein. Die Auswerteeinrichtung umfasst eine Ermittlungseinrichtung, welche geeignet ist, die Ausdehnung und/oder die Lage von wenigstens einer der von dem Detektor erfassten Beugungsordnungen zu ermitteln, sowie eine Bestimmungseinrichtung, welche dazu vorgesehen und eingereichtet ist, um aus den von der Ermittlungseinrichtung ermittelten Ausdehnungen und/oder Lagen die Divergenz und/oder die Wellenfrontkrümmung des Strahlbündels zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung kann z. B. ein Personal Computer oder dergleichen sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels umfasst in entsprechender Weise die folgenden Verfahrensschritte:

a) Aussenden eines Strahlbündels auf eine Strahleinfallsfläche eines Phasenstufen aufweisenden Phasengitters,
b) Richten des aus einer Strahlaustrittsfläche des Phasengitters austretenden Strahlbündels auf eine Strahleinfallsfläche einer Fourieroptik,
c) Erfassen einer oder mehrerer Beugungsordnungen mit einer jeweiligen örtlichen Ausdehnung und einer jeweiligen Lage einer aufgrund des aus einer Strahlaustrittsfläche der Fourieroptik austretenden Strahlbündels entstehenden Beugungserscheinung,
d) Ermitteln der Ausdehnung und/oder der Lage von wenigstens einer der erfassten Beugungsordnungen und
e) Bestimmen der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung des Strahlbündels aus den ermittelten Ausdehnungen und/oder Lagen der Beugungsordnungen.

Das Phasengitter kann z. B. ein computergeneriertes Hologramm sein. Computergenerierte Hologramme (CGH) zeichnen sich dadurch aus, dass sich deren Struktur auf den speziellen Anwendungsfall bezogen rechnerisch ermitteln und vergleichsweise einfach auf ein Objekt übertragen lässt.
Das Phasengitter kann ein binäres Querschnittsprofil mit genau zwei unterschiedlichen Phasenstufen aufweisen. Ein derartiges Querschnittsprofil lasst sich insbesondere in der Ausführung als CGH sehr einfach herstellen. Einfach herstellbar sind auch Phasengitter mit einem sinusförmigen oder sägezahnförmigen Querschnittsprofil.
Das Phasengitter kann parallel zueinander verlaufende Phasenstufen aufweist. Derartige Phasengitter erzeugen bei homogener Ausleuchtung mit einer ebenen Welle regelmäßige Beugungserscheinungen, deren Maxima oder Minima sowohl in deren Lage als auch deren Ausdehnung gut auswertbar sind.
Das Phasengitter kann als ein ein- oder zweidimensionales Gitter ausgebildet sein. Unter eindimensionalem Gitter soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung ein Gitter verstanden werden, welches lediglich in einer Raumrichtung eine Struktur aufweist. Hierunter sollen auch Gitter verstanden werden, die lediglich in radialer Raumrichtung strukturiert sind.
Ein zweidimensionales Gitter kann z. B. senkrecht zueinander angeordnete Phasenstufen aufweisen. Mit einem derartigen Gitter lassen sich besonders gut Strahlquerschnitte mit entsprechenden Vorzugsrichtungen analysieren.
Je nach Anwendungsfall kann es günstig sein, wenn das Phasengitter zur Erzeugung einer vorgegebenen Anzahl an Beugungsordnungen gleichen Energieinhalts ausgebildet ist, wenn es homogen und mit einer ebenen Welle ausgeleuchtet wird.
Insbesondere kann das Phasengitter ein sogenanntes Dammann-Gitter (vgl. H. Dammann und K. Görtler, „High-efficieny In-line Multiple Imaging by Means of Multiple Phase Holograms", in Optics Communications, Vol. 3, No. 5, Seiten 312–315) mit den bei diesem Gittertyp ausgeprägten Eigenschaften sein.
Das Phasengitter soll auf dem Detektor räumlich getrennte Beugungsordnungen erzeugen, die jeweils eine andere Ebene des Strahls abbilden. Hierzu hat das Phasengitter eine mittlere Periode, die größer ist als λ/θ, wobei λ die Laserwellenlänge und θ die Divergenz des Laserstrahls ist. Insbesondere kann die Gitterperiode beispielsweise λ/5θ sein. Außerdem ändert sich die Gitterperiode über die Strahlbreite kontinuierlich und linear, so dass sie am einen Rand des Strahls um beispielsweise 5–40% größer ist als am anderen Rand des Strahls. Dadurch wird erreicht, dass der Strahl in den einzelnen Beugungsordnungen unterschiedlich fokussiert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels,
2 ein von der Vorrichtung nach der 1 aufgenommenes Detektorbild wenn das auf die Vorrichtung treffende Strahlbündel eine ebene Wellenfront aufweist,
3 ein Detektorbild eines auf die Vorrichtung nach der 1 treffenden Strahlbündels mit einer gekrümmten Wellenfront,
4 eine Phasengitterstruktur für einen zylindrischen Fokusterm,
5 eine Phasengitterstruktur für einen sphärischen Fokusterm,
6 eine Phasengitterstruktur zur Erzeugung von sieben Beugungsordnungen mit gleichem Energieinhalt,
7 eine Phasengitterstruktur für einen sphärischen Fokusterm, welche sieben Beugungsordnungen mit gleichem Energieinhalt erzeugt
8 einen Shack-Hartmann-Sensor nach dem Stand der Technik, auf den eine ebene Welle trifft,
9 den Shack-Hartmann-Sensor nach der 8, auf den eine Welle mit einer gekrümmten Wellenfront trifft.
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels 101, welches z. B. von einem nicht dargestellten Laser emittiert wurde. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Phasengitter in Form eines computergenerierten Hologramms 103 (engl. Computer generated hologram, abgekürzt CGH), eine Fourieroptik in Gestalt einer Fourierlinse 105 sowie einen im Spektralbereich des Strahlbündels 101 strahlungs-, insbesondere licht-, empfindlichen Detektor 107, wie z. B. eine CCD-Kamera. CGH 103, Fourierlinse 105 und Detektor 107 sind im Strahlengang (Ausbreitungsrichtung z) hintereinander liegend angeordnet. Die strahlungsempfindliche ebene Fläche 109 des Detektors 107 hat dabei einen Abstand d_D zur Fourierlinse 105, welcher deren Brennweite f_F entspricht. Anders ausgedrückt liegt die strahlungsempfindliche Fläche 109 des Detektors 107 in der Brennebene F der Fourierlinse 105.
Trifft ein z. B. von einem nicht dargestellten Excimer-Laser emittiertes Strahlbündel 101 auf die Eintrittsfläche 103a des CGH 103 wie in der 1 dargestellt, so erzeugt dieses aus der Austrittsfläche 103b austretende Teilstrahlbündel 101a, 101b, 101c, 101d, 101e gleicher Intensität aber mit sich unterscheidendem Phasenbezug. Die Fourierlinse 105 über deren Eintrittsfläche 105a die Teilstrahlbündel 101a, 101b, 101c, 101d, 101e ein- und über deren Austrittsfläche 105b die Teilstrahlbündel 101a, 101b, 101c, 101d, 101e austreten, projiziert auf der in deren Brennebene F befindlichen strahlungsempfindlichen Fläche 109 des Detektors 107 ein Beugungsbild sofern das Strahlbündel 101 vorher hinreichend parallel war. Für die folgenden Betrachtungen wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass das CGH 103 in Form eines eindimensionalen Phasengitters mit äquidistanten Spalten und Stegen ausgebildet ist.
Zum Vergleich zeigt die 2 ein Detektorbild eines auf die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit eindimensionalen Phasengitter treffenden Strahlbündels 101 mit ebener Wellenfront und die 3 ein Detektorbild eines auf die gleiche erfindungsgemäße Vorrichtung 100 treffenden Strahlbündels 101 mit einer gekrümmten Wellenfront. Durch das einfache Hinzufügen eines CGHs 103, das gleichzeitig einen Winkel sowie einen Fokusterm einführt, kann über die verschiedenen Beugungsordnungen des CGH 103 hinweg eine Fokusstaffel 110 (d. h. verschiedene z-Schnitte) erzeugt werden, deren einzelne Bilder 111, 112, 113, 114, 115 bzw. 116, 117, 118, 119, 120 der unterschiedlichen Beugungsordnungen –2., –1., 0., 1., 2. auf der Detektorebene 109 nebeneinander zu liegen kommen. Während das Detektorbild nach der 2 ein zu einer Mittenachse 121 symmetrisches Beugungsmuster mit den Beugungsordnungen –2., –1., 0., 1., 2. zeigt, sind die Maxima der Beugungsordnungen –2., –1., 0., 1., 2. des Beugungsmusters des Detektorbilds nach der 3 nicht symmetrisch zu der Mittenachse 121 ausgebildet. Nicht nur die Ausdehnung der Beugungsmaxima in der Detektorebene 109 kann in Abhängigkeit von der einfallenden Wellenfront variieren, sondern auch die entsprechende Lage.
Die Erfindung sieht nunmehr eine (in der Zeichnung nicht dargestellte) Ermittlungseinrichtung vor, um die Ausdehnung und/oder Lage von wenigstens einer der von dem Detektor erfassten Maxima der Beugungsordnungen zu ermitteln. Für die Ausdehnung der Maxima kann beispielsweise die Breite bei einem bestimmten Bruchteil der Maximalintensität (Halbwertsbreite oder Breite bei 13.5% der Maximalintensität, sogenannte 1/e²-Breite) herangezogen werden. Die Lage der Beugungsordnung kann als Lage des Intensitätsmaximums, des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung etc. ermittelt werden. Alternativ können diese Werte auch durch Anpassung einer Funktion (wie einer Gaußkurve) an die gemessenen Daten und Ermittlung derer Paramter ermittelt werden.
Eine ebenfalls nicht gezeichnete Bestimmungseinrichtung, ist dazu vorgesehen, aus den von der Ermittlungseinrichtung ermittelten Ausdehnungen und/oder Lagen die Divergenz und/oder die Wellenfrontkrümmung des Strahlbündels zu bestimmen. Aus einem Fit an die gemessenen Breiten der Fokusstaffel können Divergenz (Minimalwert) und Wellenfrontkrümmung (Lage des Minimums) bestimmt werden. Dazu werden beispielsweise die ermittelten Breiten der einzelnen Beugungsordnungen gegen deren Ordnung ... –2, –1, 0, 1, 2 ... aufgetragen und eine geeignete Funktion wie eine Parabel oder Hyperbel an diese Daten angepasst. Der Minimalwert dieser angepassten Kurve ist die minimale Divergenz bei bestem Fokus. Die Lage des Minimums, die auch zwischen den Beugungsordnungen liegen kann, ergibt die z-Lage des besten Fokus. Dieser Wert hängt vom von Beugungsordnung zu Beugungsordnung eingeführten Defokus ab, der wiederum durch die Auslegung des CGHs bestimmt ist.
Nachfolgend soll am Beispiel einer Laserkristallisationsvorrichtung der in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Art erläutert werden, wie die Struktur eines Phasengitters in Form eines CGH im Hinblick auf ein den Strahlquerschnitt festlegendes Beleuchtungssystem zu wählen ist, um Divergenz und Wellenfrontkrümmung möglichst genau bestimmen zu können.
Die grobe Struktur des CGH ergibt sich aus der Addition von Ablenkung (linearer Phasenterm Richtung der kurzen Achse) und Fokusterm (quadratischer Phasenterm). Letzterer kann in der kurzen Achse oder in beiden Achsen aufgebracht werden. Die notwendige Größe der beiden Terme hängt davon ab, welcher Abstand der Beugungsordnungen auf dem Detektor aufgrund der Laserdivergenz erforderlich ist, und wie groß der Messbereich und die Auflösung der Fokusmessung sein sollen.
Der lineare Phasenterm ist so zu wählen, dass auch für die höheren defokussierten Beugungsordnungen die Intensitätsverteilungen auf dem Detektor nicht überlappen. Beispielsweise kann der lineare Phasenterm so gewählt werden, dass der Abstand der einzelnen Beugungsordnungen ein n-faches der Laserdivergenz im besten Fokus ist, beispielsweise das Fünffache. Die Laserdivergenz kann dabei als eine 1/e²-Breite der Divergenzverteilung bestimmt werden.
Der notwendige Beugungswinkel des Gitters für die erste Ordnung ist in diesem Fall das n-fache der Laserdivergenz θ, die Gitterperiode p entsprechend gleich p = λ/(nθ). Für eine Laserdivergenz von 0.5–3 mrad und eine Wellenlänge λ im Bereich von 150–400 nm, wie sie für Excimerlaser typisch sind, ist die Gitterperiode für n = 5 im Bereich von ca. 100 μm, was gut fertigbar ist.
Wie sehr sich eine Defokussierung als Änderung des Divergenzprofils bemerkbar macht, hängt vom Strahldurchmesser B ab. Eine mögliche Wahl für den Defokus der ersten Beugungsordnung ist der Wert, bei dem die Randstrahlen gerade um ein Viertel des Divergenzwinkels θ geneigt sind. Die Gitterperiode ändert sich damit über die Strahlbreite B linear um einen Faktor (1 + n/4)/(1 – n/4), für n = 5 also um +/–5%. Für diesen Wert erscheint die zweite Beugungsordnung auf dem Detektor ca. um einen Faktor 1.5 größer, wenn die nullte Ordnung im besten Fokus ist. Wie an diesem Beispiel zu sehen ist, zeigen diese Gitterstrukturen im allgemeinen eine nur geringe Änderung der Gitterperiode über die gesamte Größe des CGH, was für die Fertigung von großem Vorteil ist.
Je nach Anzahl der vom Gitter erzeugten Beugungsordnungen, dem gewünschten Gesamt-Messbereich und der Auflösung kann dieser Wert entsprechend geändert werden. Die 4 zeigt die Grundstruktur für einen zylindrischen Fokusterm und die 5 die Grundstruktur für einen sphärischen Fokusterm. Auf der Koordinatenachsen ist der Ort in mm für die typischen Abmessungen eines CGH in mm aufgetragen. Die schwarzen Bereiche sind gegenüber den hellen Bereichen um p in der Phase verschoben. In 5 wirkt der Fokusterm in beiden Achsen, die Gitterlinien erscheinen daher gekrümmt.
Für die Messung der Fokusstaffel ist es vorteilhaft, wenn der Energieinhalt der verschiedenen Beugungsordnungen identisch ist. Dies wird durch ein sogenanntes Dammann-Gitter (vgl. Dammann et al., a. a. O.) erreicht, das eine feste Zahl von Beugungsordnungen mit identischer Intensität erzeugt, die zwei Drittel oder mehr der Gesamtintensität in sich vereinen können. Da diese Dammann-Gitter reine Phasengitter mit nur zwei Phasenstufen (0 und π) sind, ist ihre Herstellung relativ einfach.
Für die Erzeugung von sieben Beugungsordnungen (–3 ... 3) mit gleichen Energieinhalt kann beispielsweise die in der 6 skizzierte Struktur verwendet werden, wobei in dieser Darstellung der vom Gitter erzeugte Phasenhub über eine Gitterperiode aufgetragen ist. Dieser kann durch eine stufenförmige Oberflächenstruktur erzeugt werden, deren Stufen gerade so gewählt werden, dass sie den notwendigen Phasehub erzeugen. Für ein Material mit dem optischen Brechungsindex n ist dafür eine Höhe der Stufen von λ/(2n – 2) erforderlich, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichtes ist.
Wenn der Abfall der Maximalintensität der einzelnen Beugungsordnungen bei zunehmendem Defokus in etwa bekannt ist, kann das Dammann-Gitter auch so verstimmt werden, dass sich unterschiedliche Effizienzen ergeben und der Detektor für jede Beugungsordnung optimal ausgesteuert wird. Dazu werden die relativen Breiten der in 6 gezeigten Struktur so verändert, dass die Intensität in den höheren Beugungsordnungen höher ist als für die nullte Ordnung.
Insgesamt erhält das CGH damit die in der 7 gezeigte Struktur, wobei in dieser Darstellung wiederum die Koordinaten den Ort in mm angeben. Aufgrund der Verwendung der in 6 gezeigten Struktur, die nun innerhalb der ursprünglichen Gitterperiode liegt, ist die minimale Strukturgröße nun ca. einen Faktor 9 kleiner. Die schwarzen Bereiche entsprechen wie in 4 und 5 einem Phasenhub von π.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7061959 B2 [0002, 0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Dammann und K. Görtler, „High-efficieny In-line Multiple Imaging by Means of Multiple Phase Holograms”, in Optics Communications, Vol. 3, No. 5, Seiten 312–315 [0022]
Dammann et al., a. a. O. [0045]

Claims

Vorrichtung (100) zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels (101) umfassend a) ein Phasenstufen aufweisendes Phasengitter (103) mit einer Strahleinfallfläche (103a) auf die das Strahlbündel (101) einfällt und einer Strahlaustrittsfläche (103b) aus der das Strahlbündel austritt, b) eine auf der Seite der Strahlaustrittsfläche (103b) des Phasengitters (103) angeordnete Fourieroptik (103) mit einer Strahleinfallfläche (105a) auf die das von dem Phasengitter (103) kommende Strahlbündel (101) einfällt und einer Strahlaustrittsfläche (105b) aus der das Strahlbündel (101) austritt, c) einen auf der Seite der Strahlaustrittsfläche (105b) der Fourieroptik (105) angeordneten strahlungsempfindlichen Detektor (107), um eine oder mehrere Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120) mit einer jeweiligen örtlichen Ausdehnung und einer jeweiligen Lage einer aufgrund des Strahlbündels (101) entstehenden Beugungserscheinung zu erfassen, d) eine Ermittlungseinrichtung, um die Ausdehnung und/oder die Lage von wenigstens einer der von dem Detektor (107) erfassten Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120) zu ermitteln, e) eine Bestimmungseinrichtung, um aus den von der Ermittlungseinrichtung ermittelten Ausdehnungen und/oder Lagen die Divergenz und/oder die Wellenfrontkrümmung des Strahlbündels (101) zu bestimmen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (103) ein computergeneriertes Hologramm (CGH; 103) ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (103) ein binäres Querschnittsprofil mit genau zwei unterschiedlichen Phasenstufen aufweist oder dass das Phasengitter ein sinusförmiges Querschnittsprofil aufweist oder dass das Phasengitter ein sägezahnförmiges Querschnittsprofil aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (103) parallel zueinander verlaufende Phasenstufen aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (103) linear oder kreisförmig gekrümmt verlaufende Phasenstufen aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (103) ein eindimensionales Gitter oder ein zweidimensionales Gitter ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweidimensionale Gitter senkrecht zueinander angeordneten Phasenstufen aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (103) zur Erzeugung einer vorgegebenen Anzahl an Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120) gleichen Energieinhalts ausgebildet ist, wenn es homogen ausgeleuchtet wird.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasengitter (103) ein Dammann-Gitter ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fourieroptik eine Fourierlinse (105) ist und dass die strahlungsempfindliche Fläche (109) des Detektors (107) in einem Abstand (d_D) zur Fourierlinse (105) angeordnet ist, der der Brennweite (f_F) der Fourierlinse (105) entspricht.
Laserkristallisationsvorrichtung mit einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren zur Bestimmung der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung eines Strahlbündels (101) mit folgenden Verfahrensschritten: a) Aussenden eines Strahlbündels (101) auf ein Strahleinfallsfläche (103a) eines Phasengitters (103), b) Richten des aus einer Strahlaustrittsfläche (103b) des Phasengitters (103) austretenden Strahlbündels (101) auf eine Strahleinfallsfläche (105a) einer Fourieroptik (105), c) Erfassen einer oder mehrerer Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120) mit einer jeweiligen örtlichen Ausdehnung und einer jeweiligen Lage einer aufgrund des aus einer Strahlaustrittsfläche (105b) der Fourieroptik (105) austretenden Strahlbündels (101) entstehenden Beugungserscheinung, d) Ermitteln der Ausdehnung und/oder der Lage von wenigstens einer der erfassten Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120), e) Bestimmen der Divergenz und/oder der Wellenfrontkrümmung des Strahlbündels (101) aus den ermittelten Ausdehnungen und/oder Lagen der Beugungsordnungen (111, 112, 113, 114, 115; 116, 117, 118, 119, 120).