DE102015105515A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Strahlcharakterisierung - Google Patents

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Abstract

Für ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Strahlcharakterisierung, bei denen ein zu charakterisierender Strahl einer Strahlvorrichtung in einem Strahlprüfquerschnitt mittels eines Referenzelements mit einer Vielzahl von Rasterpunkten abgerastert und für jeden Rasterpunkt mittels eines Messelements ein Wert einer von der Intensität eines nach Wechselwirkung mit dem oder nach Durchtritt durch das Referenzelement auf das Messelement auftreffenden Strahlanteils abhängigen Charakterisierungsmessgröße ermittelt wird, wird vorgeschlagen, die Qualität des Referenzelements zu bestimmen, indem aus den Charakterisierungsmessgrößenwerten ein Kontrollmessgrößenwert ermittelt und mit einem Kontrollreferenzgrößenwert verglichen wird, wobei der Kontrollreferenzgrößenwert aus der bekannten Leistung der Strahlquelle, einem im Strahlprüfquerschnitt gegebenen Strahlradius sowie einer vorgegebenen Intensitätsverteilung des zu charakterisierenden Strahls im Strahlprüfquerschnitt ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlcharakterisierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Strahlcharakterisierung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
  • Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der WO 2013/143531 A1 bekannt. Diese Offenbarung betrifft die Charakterisierung eines Ladungsträgerstrahls, der zur Charakterisierungsmessung über eine als Referenzelement dienende Messblende geführt wird. Bei geeigneter Gestaltung der Messblende, zum Beispiel einer kreisrunden Lochblende, wird der Ladungsträgerstrahl mehrfach über die Blendenöffnung geführt. Mittels eines Analyseelements werden die durch die Messblende hindurchtretenden Strahlanteile in ihrer Intensität festgestellt, wodurch eine zweidimensionale Vermessung des Strahlquerschnittes hochgenau möglich ist.
  • Die Strahlcharakterisierung ermöglicht die Feststellung unerwünschter Veränderungen des Strahls und die Einstellung gewünschter Eigenschaften und ist somit Voraussetzung für eine gute Prozessreproduzierbarkeit, zum Beispiel bei Schweißprozessen. Im Falle eines Elektronenstrahls können z.B. Veränderungen an der Kathode Eigenschaften des Strahls ändern. Zudem muss eine Kathode regelmäßig ausgetauscht werden, wodurch eine erneute Messung zur Strahlcharakterisierung erforderlich wird. Um methodische Fehler sowie Fehler des bedienenden Personals bei einer Charakterisierungsmessung weitgehend vermeiden zu können, ist es erstrebenswert, Messungen zur Strahlcharakterisierung möglichst personalunabhängig und automatisch ablaufen zu lassen.
  • Problematisch bei einer Strahlcharakterisierung sind Veränderungen, die der zu charakterisierende Strahl am Referenzelement verursachen kann. So wird zum Beispiel bei einer Lochblende typischerweise aufgrund des Einflusses des zu charakterisierenden Strahls die Messblendenöffnung vergrößert. Übersteigt die Größe der Messblendenöffnung ein gewisses Maß, wird der Messprozess aufgrund dieses Instrumentenfehlers ungenau. Um dieser Gefahr zu begegnen, werden oftmals Messblenden mit möglichst geringem Radius der Blendenöffnung eingesetzt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der durch die Messblende hindurchtretende Strahlanteil entsprechend schwach ist. Zudem werden Messblenden vom bedienenden Personal vorsorglich frühzeitig ausgetauscht. Mangels objektiver Kriterien für den Zeitpunkt des Austauschs der Messblende erfolgt dieser oftmals bereits dann, wenn die Messblende noch hinreichend genaue Ergebnisse liefern würde, was zu einem unnötig hohen Material- und Kostenaufwand führen kann.
  • Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die eine weitere Automatisierbarkeit der Messung zur Strahlcharakterisierung ermöglichen.
  • Das technische Problem wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüchen 1 und 8 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 7.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine automatische Bestimmung der Qualität des Referenzelements während der Messung zur Strahlcharakterisierung. Somit ist eine wertende Betrachtung des Referenzelements durch bedienendes Personal nicht mehr erforderlich, wodurch menschliche Fehleinschätzungen vermieden werden können. Die automatische Qualitätsbestimmung erfolgt, indem aus gemessenen Werten einer Charakterisierungsmessgröße, welche von der Intensität des zu charakterisierenden Strahls abhängt, ein Kontrollmessgrößenwert ermittelt wird. Der Kontrollmessgrößenwert wird mit einem Kontrollreferenzgrößenwert verglichen, der automatisch aus der bekannten Leistung der Strahlungsquelle, einem im Prüfquerschnitt des Strahls gegebenen Strahlradius sowie aus einer vorgegebenen Intensitätsverteilung ermittelt wird.
  • In der Regel genügt ein einziger Messdurchgang, um die Qualität des Referenzelements feststellen zu können. Auf diese Weise ist ein einfaches und scharfes Entscheidungskriterium gegeben, welches eine automatisierte zuverlässige Fehlerfeststellung in Bezug auf das Referenzelement erlaubt. Die Rasterung des Strahlquerschnitts erfolgt durch eine Relativbewegung zwischen Referenzelement und Strahl, wobei entweder das Referenzelement relativ zur Strahlapparatur und/oder der Strahl in geeigneter Weise geführt werden.
  • Vorzugsweise wird als Charakterisierungsmessgröße die Intensität, das heißt die Flächenleistungsdichte, des zu charakterisierenden Strahls herangezogen. Als Kontrollmessgrößenwert dient dann ein Kontrollintensitätswert, welcher aus der Vielzahl der mit dem Messelement gemessenen Intensitätswerte gewählt wird, z.B. der festgestellte Maximalwert Imax der Intensität. Als Kontrollreferenzgrößenwert dient dann vorzugsweise der Referenzmaximalwert Imaxref einer berechneten Referenzintensitätsfläche I(x,y) über dem Strahlprüfquerschnitt. Die Referenzintensitätsfläche stellt eine Idealfläche der Intensitätsverteilung über dem Strahlprüfquerschnitt dar und lässt sich aus der bekannten Leistung der Strahlquelle, der Geometrie des Strahlprüfquerschnitts und einer angenommenen Intensitätsverteilung berechnen. Vorzugsweise wird ein Strahl im Fokus oder nahe dem Fokuspunkt charakterisiert. Dort kann beispielsweise in Bezug auf die Intensität eine Gauß-Verteilung über den Strahldurchmesser angenommen werden. Die Gauß-Verteilung ist für den Fokus und für fokusnahe Bereiche eines Strahls in der Regel eine hinreichend genaue Beschreibung der Intensitätsverteilung. Mit hiervon abweichenden Intensitätsverteilungen ist die Erfindung allerdings ebenfalls durchführbar, z.B. mit einer Rechteck-Verteilung oder einer top-hat-Verteilung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass bei einer fest vorgegebenen Relation des Kontrollmessgrößenwertes zum Kontrollreferenzgrößenwert ein automatischer Hinweis auf das Überschreiten einer Fehlertoleranz und/oder ein Abbruch der Messung zur Strahlcharakterisierung erfolgt.
  • Beispielhaft ist im Folgenden eine Relation zwischen Kontrollmessgrößenwert und Kontrollreferenzgrößenwert als Ausschlusskriterium für den Fall einer Messblende und der Intensität als Charakterisierungsmessgröße dargestellt: Die Rasterung teilt den Prüfquerschnitt des Strahls in aneinander grenzende Rasterteilflächen auf. Der an einem Rasterpunkt durch die Messblende auf das Messelement fallende Strahlanteil des zu charakterisierenden Strahls erzeugt einen Intensitätswert für die zugehörige Rasterteilfläche. Der über die Rasterteilfläche gemittelte Intensitätswert wird dieser Rasterteilfläche zugeordnet. Auf diese Weise wird in allen Rasterpunkten verfahren, so dass eine flächige Intensitätswertverteilung über dem Strahlprüfquerschnitt ermittelt wird, aus der sich auch ein Radius des zu vermessenden Strahls berechnen lässt, z.B. sein σ-Radius, an dem bei angenommener Gaußscher Verteilung eine Intensität von 68,27% der gemessenen Maximalintensität Imax gegeben ist. Andere Strahlradien können ebenfalls herangezogen werden, z.B. der Radius r50, an dem 50% der gemessenen Maximalintensität Imax festgestellt wird.
  • Wenn die Blendenöffnung einer unverbrauchten Messblende kleiner ist als eine Rasterteilfläche, muss aufgrund der Abschattung durch die Messblende der festgestellte Intensitätswert kleiner sein, als der tatsächlich zu erwartende Intensitätswert und damit auch kleiner als der für diese Rasterteilfläche zu ermittelnde Referenzintensitätswert. Der Referenzintensitätswert lässt sich aus der gegebenen Leistung der Strahlquelle, dem gemessenen Strahlradius und der angenommenen Intensitätsverteilung, z.B. Gaußschen Verteilung, berechnen. Zur Ermittlung des Referenzintensitätswertes werden also neben vorgegebenen Größen nur die Messdaten selbst benutzt.
  • Die Blendenöffnung der Messblende wird durch die Einwirkung des Strahls vergrößert, wodurch sich bei aufeinanderfolgenden Strahlcharakterisierungen allmählich zum Einen die an den Rasterpunkten gemessenen Intensitätswerte erhöhen, zum anderen ein größerer Strahlradius im Prüfquerschnitt festgestellt wird. Mit den höheren Messwerten der Intensität erhöht sich entsprechend der Wert der Kontrollmessgröße, z.B. Imax. Geht man von einer unveränderten Leistung der Strahlquelle aus, muss hingegen aufgrund des größeren Strahlradius der zugehörige Referenzkontrollgrößenwert, im vorliegenden Beispiel Imaxref, sinken, so dass sich die beiden Werte in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Somit wird ein Kontrollmessgrößenwert, der bei noch unverbrauchter Messblende unterhalb des Referenzkontrollgrößenwertes liegt, diesen mit zunehmendem Verschleiß erreichen und schließlich übersteigen. Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass es ein geeignetes Ausschlusskriterium für die weitere Verwendung der Messblende ist, wenn Imax den Kontrollreferenzgrößenwert Imaxref erreicht oder gerade übersteigt, da in diesem Bereich die Messabweichungen noch unterhalb von 5% betragen.
  • Abweichend vom obigen Beispiel können selbstverständlich auch andere Ausschlusskriterien gewählt werden, z.B. abhängig von der gewünschten Messgenauigkeit. So kann z.B. auch eine von Null abweichende Differenz zwischen dem Kontrollmessgrößenwert und dem Kontrollreferenzgrößenwert als Ausschlusskriterium verwendet werden
  • Alternativ zu den Maximalwerten von Kontrollmessgröße und Referenzkontrollmessgröße können beliebige abweichende Werte zum Vergleich herangezogen werden, z.B. kann der 90% des Maximalintensitätswertes Imax des zu charakterisierenden Strahls betragende Intensitätswert I90 mit dem 90% des Maximalintensitätswertes Imaxref des Referenzstrahls betragenden Referenzintensitätswertes I90ref verglichen werden.
  • Der Strahlradius im Prüfquerschnitt kann als Annahme vorgegeben werden oder aber vorzugsweise aus der Charakterisierungsmessung ermittelt werden.
  • Als Referenzelement dient vorzugsweise eine Messblende, weiter vorzugsweise eine Lochblende. Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch mit Blenden anderer Geometrie, z.B. mit einer Schlitzblende angewandt werden.
  • Das Referenzelement kann auch ein streuendes, z.B. rückstreuendes Element sein, so dass gestreute Strahlanteile vom Messelement gemessen werden. Abhängig von der Geometrie des Referenzelementes werden geeignete Charakterisierungsmessgrößen herangezogen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft zur Charakterisierung eines Partikelstrahls, z.B. eines Elektronenstrahls, eingesetzt werden.
  • Alternativ ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung eines elektromagnetischen Strahls, z.B. eines Laserstrahls, zu nutzen.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Figuren beispielhaft dargestellt.
  • Es zeigt
  • 1 im Diagramm eine Gegenüberstellung des Verlaufs von gemessener Intensität Igem und Referenzintensität Iref über dem Radius bei einem ersten Lochblendenzustand,
  • 2 eine Gegenüberstellung gemäß 1 bei einem zweiten Lochblendenzustand,
  • 3 einen Verlauf der gemessenen Intensität über dem Radius mit Markierung bestimmter Intensitätswerte und Radien und
  • 4 die gemessene Intensität am Ort zweier äquivalenter Radien in Abhängigkeit einer zunehmenden Größe der Blendenöffnung einer Lochblende.
  • In dem im Folgenden dargestellten Beispiel wird die Strahlcharakterisierung mittels einer Lochblende durchgeführt, welche relativ zum Strahlprüfquerschnitt bewegt wird und den Strahlprüfquerschnitt abrastert. Die durch die Blendenöffnung hindurchtretenden Strahlenteile werden in ihrer Intensität gemessen. Die Rasterung erfolgt vorzugsweise zweidimensional, so dass eine flächige Intensitätsverteilung I(x,y) gemessen wird.
  • 1 zeigt schematisch in einer Dimension eine über dem Strahlquerschnitt festgestellte gemessene Intensität Igem in Abhängigkeit vom Radius. Gemessen wird zur Strahlcharakterisierung vorzugsweise im Bereich des Fokus des zu prüfenden Strahls. Im dortigen Strahlprüfquerschnitt nimmt die Intensitätsverteilung typischerweise in ihrer Abhängigkeit über den Radius in guter Näherung die Form einer Gauß-Glocke an.
  • 1 stellt mit der gestrichelten Kurve den Verlauf der gemessenen Intensität für eine als Referenzelement dienende Messlochblende dar, deren Blendenöffnung in der Fläche kleiner ist als eine dem jeweiligen Rasterpunkt zugeordnete Rasterteilfläche im Strahlprüfquerschnitt. Mit der dadurch gegebenen Abschattung der Rasterteilfläche muss die festgestellte Intensität geringer sein als im Fall einer fehlenden Abschattung. 1 zeigt zusätzlich zum Verlauf der gemessenen Intensität Igem mit der durchgehenden Kurve den Verlauf einer Referenzintensität Iref. Die Referenzintensität Iref lässt sich rechnerisch aus der bekannten Leistung der Strahlungsquellen, einer angenommenen Verteilung, hier einer Gauß-Verteilung, und einem während der Messung festgestellten Strahlradius im Strahlprüfquerschnitt ermitteln. Die Referenzintensität stellt somit den Idealverlauf der Intensität im Falle der Gauß-Verteilung bei dem gegebenen Strahlradius dar.
  • Vergrößert sich durch die Einwirkung des zu charakterisierenden Strahls die Blendenöffnung, verringert sich bei einer weiteren Messung die Abschattung, so dass bei identischem Rastermuster die dann gemessenen Intensitätswerte in jedem Rasterpunkt im Vergleich zur Messung bei kleinerer Blendenöffnung größer sind. Aufgrund der vergrößerten Blendenöffnung wird zudem ein etwas vergrößerter Strahlradius im Prüfquerschnitt festgestellt. Bei einem vergrößerten Strahlradius bei weiter angenommener Gauß-Verteilung und unveränderter Leistung der Strahlquelle verbreitert sich der Verlauf der Referenzintensität Iref bei gleichzeitiger Verringerung der Referenzintensitätswerte in den einzelnen Rasterpunkten. Bei weiter zunehmender Vergrößerung der Blendenöffnung werden die gemessenen Intensitätswerte Igem die Referenzintensitätswerte Iref in jedem Punkt der Kurve übersteigen. Dieser Fall ist in 2 dargestellt.
  • Der Vergleich zwischen gemessener Intensität Igem und Referenzintensität Iref kann somit als scharfes Entscheidungskriterium für die Qualität der Messblende dienen. Dabei wird keine gesonderte Prüfmessung benötigt. Vielmehr kann die Entscheidung über die Qualität der Messblende bei jedem Charakterisierungs-Messdurchgang getroffen werden.
  • Für die Qualitätsprüfung können beliebige Intensitätswerte aus der gemessenen Intensitätsverteilung Igem(r) herangezogen werden, z. B. der festgestellte Maximalwert der Intensität Imaxgem, oder der Intensitätswert I90gem, der 90% des Maximalintensitätswertes darstellt oder I50gem, der 50% der Maximalintensität oder I10gem, welcher 10% der festgestellten Maximalintensität Imaxgem darstellt. Diese beispielhaften Werte sind in 3 dargestellt, wobei dort der Index „gem“ nicht angegeben ist. Die zu den jeweiligen Intensitätswerten Imaxgem, I90gem, I50gem und I10gem gehörenden Radiuswerte sind im Folgenden als äquivalente Radien r10, r50, r90 und r100 bezeichnet, wobei letzterer in der Regel den Wert r100 = 0 aufweist. Bei Verwendung der maximalen gemessenen Intensität Imaxgem wäre ein mögliches Entscheidungskriterium, dass die Qualität der Messblende dann nicht mehr hinreichend ist, wenn gilt: Imaxgem > Imaxref. Die Ungleichung kann auch mit einem Faktor versehen werden: Imaxgem > a·Imaxref, z.B: 0.9 ≤ a ≤ 1.2, wobei der Faktor a einen durch das durchgeführte Strahlcharakterisierungsverfahren tolerierten Maximalverschleiß der Messblende festlegt. Entsprechendes gilt bei der Wahl anderer Intensitätswerte.
  • 4 zeigt als Ergebnis einer Simulationsrechnung die Strahlintensität bei den äquivalenten Radien r100 und r50 in Abhängigkeit von der zunehmenden Größe der Blendenöffnung. Die Werte auf der Abszisse entsprechen dem Verhältnis der Größe der Blendenöffnung zum σ-Radius des Strahlprüfquerschnitts. Für die Werte auf der Ordinate wurde der Gesamtintensität des Strahls der Wert 1 zugeordnet. Es ist zu erkennen, dass sowohl die gemessene Maximalintensität Imaxgem als auch die 50%-ige Intensität I50gem den jeweiligen zugehörigen Referenzwert Imaxref und I50ref in etwa dann schneidet, wenn die Blendenöffnung etwa 50% des σ-Radius des Strahlprüfquerschnitts beträgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/143531 A1 [0002]

Claims (8)

  1. Verfahren zur Strahlcharakterisierung, bei dem a) ein zu charakterisierender Strahl einer Strahlvorrichtung in einem Strahlprüfquerschnitt mittels eines Referenzelements mit einer Vielzahl von Rasterpunkten abgerastert wird, b) für jeden Rasterpunkt mittels eines Messelements ein Wert einer von der Intensität eines nach Wechselwirkung mit dem oder nach Durchtritt durch das Referenzelement auf das Messelement auftreffenden Strahlanteils abhängigen Charakterisierungsmessgröße ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Qualität des Referenzelements bestimmt wird, indem aus den Charakterisierungsmessgrößenwerten ein Kontrollmessgrößenwert ermittelt und mit einem Kontrollreferenzgrößenwert verglichen wird, wobei der Kontrollreferenzgrößenwert aus der bekannten Leistung der Strahlquelle, einem im Strahlprüfquerschnitt gegebenen Strahlradius sowie einer vorgegebenen Intensitätsverteilung des zu charakterisierenden Strahls im Strahlprüfquerschnitt ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorgegebenen Relation des Kontrollmessgrößenwertes zum Kontrollreferenzgrößenwert automatisch ein Hinweis auf das Überschreiten einer Fehlertoleranz und/oder ein Abbruch der Messung zur Strahlcharakterisierung erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontrollmessgrößenwert ein Intensitätswert des zu charakterisierenden Strahls, vorzugsweise die maximale Intensität Imax, verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Referenzelement eine Messblende, vorzugsweise eine Lochblende, verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlradius im Strahlprüfquerschnitt anhand der Charakterisierungsmessgrößen ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu charakterisierende Strahl ein Partikelstrahl, insbesondere ein Elektronenstrahl ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zu charakterisierende Strahl ein Laserstrahl ist.
  8. Vorrichtung zur Strahlcharakterisierung, umfassend ein Referenzelement, ein Messelement, welches zur Ermittlung eines Wertes einer von der Intensität eines Strahlanteils abhängigen Charakterisierungsmessgröße geeignet ist und Auswertemittel zur Verarbeitung der ermittelten Charakterisierungsmessgrößenwerte, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Strahlcharakterisierung eingerichtet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
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