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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flächendetektor für EUV- und/oder weiche Röntgenstrahlung, der ein im sichtbaren Spektralbereich empfindliches Array aus Detektorelementen aufweist, vor dem eine Schicht aus einem Leuchtstoff angeordnet ist, der einfallende EUV- und/oder weiche Röntgenstrahlung in Sekundärstrahlung im sichtbaren Spektralbereich wandelt.
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Bildgebende, messtechnische Anwendungen im extremen ultravioletten Spektralbereich (EUV, 5–40 nm) wie bspw. Mikroskope, Reflektometer oder Strahlprofilmonitore erfordern EUV-empfindliche Flächendetektoren mit einer hohen räumlichen Auflösung. Bei einigen Anwendungen mit hohen Anforderungen an den Durchsatz, wie bspw. bei Inspektionsgeräten für die Qualitätskontrolle, ist die relativ geringe Auslesegeschwindigkeit der bisher bekannten Flächendetektoren mit hoher räumlicher Auflösung eine den Durchsatz limitierende Größe.
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Zur Zeit werden zur EUV-Bildgebung in der Regel Kameras mit rückseitig gedünnten CCD-Chips eingesetzt. Weiterhin ist es bekannt, Kameras für den sichtbaren Spektralbereich (VIS) einzusetzen, die mit einer Leuchtstoffbeschichtung zur Wandlung der einfallenden EUV-Strahlung in Sekundärstrahlung im sichtbaren Spektralbereich versehen sind. Allerdings zeigen die bisher kommerziell verfügbaren Kameras entweder eine für hohen Durchsatz nicht ausreichende Auslesegeschwindigkeit oder erreichen wie im Falle der VIS-Kameras mit Leuchtstoffbeschichtung nicht die erforderliche hohe räumliche Auflösung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Flächendetektor für EUV- und/oder weiche Röntgenstrahlung bereitzustellen, der eine hohe räumliche Auflösung bei gleichzeitig hoher Auslesegeschwindigkeit bietet.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Flächendetektor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Flächendetektors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Der vorgeschlagene Flächendetektor für EUV- und/oder weiche Röntgenstrahlung weist ein im sichtbaren Spektralbereich empfindlichen Array aus Detektorelementen auf, vor dem eine Schicht aus einem Leuchtstoff angeordnet ist, der einfallende EUV- und/oder weiche Röntgenstrahlung in Sekundärstrahlung im sichtbaren Spektralbereich wandelt, für den das Array aus Detektorelementen empfindlich ist. Der Flächendetektor zeichnet sich dadurch aus, dass die Schicht auf einem optischen Element aufgebracht oder selbst als optisches Element ausgebildet ist, das die Divergenz der vom Leuchtstoff vor dem jeweiligen Detektorelement erzeugten Sekundärstrahlung in Richtung des Detektorelementes verringert.
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Durch diese Implementierung des die Divergenz der erzeugten Sekundärstrahlung verringernden optischen Elementes wird gegenüber bekannten mit Leuchtstoff beschichteten VIS-Kameras eine höhere räumliche Auflösung erzielt. Die Nutzung eines für den sichtbaren Spektralbereich empfindlichen Detektorarrays ermöglicht gleichzeitig eine hohe Auslesegeschwindigkeit.
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Das optische Element ist dabei vorzugsweise als Mikrolinsenarray ausgebildet, bei dem jedem Detektorelement des Detektorarrays eine Mikrolinse zugeordnet ist. Das Mikrolinsenarray kann dabei – je nach eingesetztem Leuchtstoff – entweder direkt aus dem Leuchtstoff gebildet sein oder aus einem der Brechzahl des Leuchtstoffs angepassten Glas- oder Polymermaterial, das dann auf der Einfallsseite der zu detektierenden EUV- und oder weichen Röntgenstrahlung mit dem Leuchtstoff beschichtet wird. In einer alternativen Ausgestaltung wird statt dem Mikrolinsenarray eine Freiformoptik eingesetzt, die das vom Leuchtstoff re-emittierte sichtbare Licht (Sekundärstrahlung) auf die jeweils darunter liegenden Detektorelemente abbildet.
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Das Array aus Detektorelementen ist dabei vorzugsweise durch ein Photodiodenarray gebildet. Besonders bevorzugt wird ein CMOS-Sensor, bspw. in Form einer kommerziell erhältlichen VIS-Kamera, eingesetzt.
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Zur Erhöhung der Empfindlichkeit für die einfallende EUV- und/oder weiche Röntgenstrahlung wird die Schicht aus dem Leuchtstoff auf der Oberseite, die der einfallenden Strahlung zugewandt ist, vorzugsweise zusätzlich mit einer Beschichtung versehen. Diese Beschichtung ist so gewählt, dass sie die einfallende EUV- und/oder weiche Röntgenstrahlung passieren lässt, jedoch für die im Leuchtstoff erzeugte Sekundärstrahlung im sichtbaren Spektralbereich eine hohe Reflektivität aufweist. Auf diese Weise wird ein Anteil der im Leuchtstoff erzeugten Sekundärstrahlung, der sich in entgegengesetzter Richtung zum Detektor ausbreitet durch Reflexion an der Beschichtung zusätzlich auf den Detektor gelenkt, um dadurch die einfallende Lichtstärke zu erhöhen. Ein Beispiel für eine geeignete Beschichtung stellt eine Zirkoniumbeschichtung dar.
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Der vorgeschlagene Flächendetektor ermöglicht eine Bildgebung im EUV-Bereich mit hoher räumlicher Auflösung bei gleichzeitig hoher Auslesegeschwindigkeit. Ein derartiger Flächendetektor lässt sich damit auch bei Anwendungen mit hohen Durchsatz-Anforderungen einsetzen und ist aufgrund seines Aufbaus kostengünstig realisierbar. Insbesondere lässt sich dieser Flächendetektor kostengünstiger herstellen als EUV-Kameras mit rückseitig gedünntem CCD-Chip, wobei die räumliche Auflösung und die EUV-Empfindlichkeit vergleichbar gut sind.
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Der vorgeschlagene Flächendetektor ist für zahlreiche bildgebende Anwendungen im EUV-Spektralbereich und im Bereich weicher Röntgenstrahlung geeignet, bspw. in der Mikroskopie, in der Reflektometrie oder im Strahlprofilmonitoring. Prinzipiell kann der vorgeschlagene Flächendetektor bei allen bildgebenden Anwendungen in diesem Spektralbereich eingesetzt werden, besonders vorteilhaft bei Anwendungen mit hohem Bild-Durchsatz.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der vorgeschlagene Flächendetektor wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein Beispiel für einen Flächendetektor auf Basis einer VIS-Kamera mit davor angeordneter Leuchtstoffschicht gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Flächendetektors;
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3 ein Ausschnitt der Leuchtstoffschicht einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Flächendetektors;
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4 ein Beispiel für die Ausgestaltung eines Mikrolinsenarrays des vorgeschlagenen Flächendetektors in Seitenansicht und Draufsicht; und
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5 ein weiteres Beispiel für die Ausgestaltung eines Mikrolinsenarrays des vorgeschlagenen Flächendetektors in Draufsicht.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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In 1 sind schematisch die Verhältnisse bei einem Flächendetektor gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Dieser Flächendetektor weist ein Array 1 aus Detektorelementen 2 auf, vor dem eine Leuchtstoffschicht 3 angeordnet ist, die einfallende EUV-Strahlung in Sekundärstrahlung 4 im sichtbaren Spektralbereich wandelt. In dieser und auch der nachfolgenden Figur ist dabei jeweils nur ein kleiner Ausschnitt aus der Leuchtstoffschicht 3 und dem Array 1 der Detektorelemente dargestellt. Aufgrund der Abstrahlcharakteristik der umgewandelten Sekundärstrahlung im Leuchtstoff erzielen derartige planare Leuchtstoffschichten eine nur geringe EUV-Empfindlichkeit. Außerdem ergeben sich aufgrund der starken Vergrößerung des Lichtkegels der Sekundärstrahlung 4 auf dem Strahlweg zu den Detektorelementen 2 nur moderate räumliche Auflösungen. Aus der 1 ist hierbei die starke Divergenz der über einem Detektorelement 2 erzeugten Sekundärstrahlung 4 zu erkennen, die eine Beleuchtung mehrerer nebeneinander liegender Detektorelemente 2 bewirkt.
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Beim vorgeschlagenen Flächendetektor, wie er beispielhaft schematisch in einem Ausschnitt in 2 zu erkennen ist, wird die emittierte Sekundärstrahlung 4 durch die in diesem Fall als Strahlung konvergierendes optisches Element 5 ausgebildete Leuchtstoffschicht 3 stärker auf das jeweils darunter liegende Detektorelement 2 konzentriert. Das optische Element 5 ist dabei so ausgebildet, dass es die Divergenz der in Richtung des Arrays 1 aus Detektorelementen 2 emittierten Lichts der Sekundärstrahlung 4 in seiner Divergenz verringert, wie dies in der 2 schematisch angedeutet ist. Die Leuchtstoffschicht 3 ist dabei über jedem der Detektorelemente 2 des Arrays 1 in gleicher Weise ausgebildet. Damit wird die räumliche Auflösung gegenüber einem Flächendetektor des Standes der Technik, wie er in 1 dargestellt ist, deutlich erhöht. Weiterhin ergibt sich durch das optische Element 5 auch eine Erhöhung der Empfindlichkeit, da ein größerer Anteil der Sekundärstrahlung auf das jeweilige Detektorelement trifft.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Parameter einer herkömmlichen EUV-CCD-Kamera mit rückseitig gedünntem CCD-Chip, einer Kamera mit planarer Leuchtstoffbeschichtung gemäß
1 sowie einer Kamera mit dem vorgeschlagenen Flächendetektor.
| Parameter | EUV-CCD-Kamera | Kamera mit planarer Leuchtstoffbeschichtung | erfindungsgemäßer Flächendetektor |
| Räumliche Auflösung [µm] | 13 | 30 | 10 |
| Auslesegeschwindigkeit [MHz] | 5 | > 200 | > 200 |
| EUV-Empfindlichkeit [e-/ph] | 10 | < 0,5 | 10 |
| Preis [k€] | 25 | < 10 | < 10 |
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Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, dass der vorgeschlagene Flächendetektor eine gegenüber herkömmlichen EUV-CCD-Kameras vergleichbare Auflösung bei deutlich erhöhter Auslesegeschwindigkeit und niedrigerem Preis aufweist. Gegenüber einer Kamera mit planarer Leuchtstoffbeschichtung, wie sie in 1 angedeutet ist, weist der vorgeschlagene Flächendetektor eine höhere EUV-Empfindlichkeit und räumliche Auflösung auf.
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Die EUV-Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Flächendetektors lässt sich noch erhöhen, indem eine die Sekundärstrahlung reflektierende Beschichtung auf die der einfallenden Strahlung zugewandten Oberfläche der Leuchtstoffschicht aufgebracht wird. Dies ist schematisch in einem vergrößerten Ausschnitt der Leuchtstoffschicht 3 in 3 zu erkennen. Die hierbei aufgebrachte Zirkoniumbeschichtung 7 auf der objektseitigen Front der Leuchtstoffschicht 3 bzw. des optischen Elements ist dabei für die einfallende Strahlung durchlässig, reflektiert jedoch die im Leuchtstoff erzeugte Sekundärstrahlung zurück in Richtung des Arrays 1 von Detektorelementen 2. Damit kann die Einsammeleffizienz des Detektors um bis zu 50% gegenüber einer Ausgestaltung ohne eine derartige Beschichtung gesteigert werden.
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Das optische Element, das beispielsweise durch entsprechende Strukturierung der Leuchtstoffschicht gebildet oder aus einem anderen Material, insbesondere einem der Brechzahl des Leuchtstoffs angepassten Glas oder Polymer, hergestellt und mit dem Leuchtstoff beschichtet ist, ist vorzugsweise als Mikrolinsenarray ausgebildet. 4 zeigt hierzu ein Beispiel für ein derartiges Mikrolinsenarray im Querschnitt und in Draufsicht. In diesem Beispiel ist das Mikrolinsenarray auf der der einfallenden Strahlung zugewandten Seite mit der Leuchtstoffschicht 3 beschichtet. Die einzelnen Mikrolinsen weisen in diesem Beispiel in der Ebene parallel zum Array 1 von Detektorelementen 2 einen quadratischen Querschnitt auf. 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines derartigen Mikrolinsenarrays mit hexagonaler Grundform in Draufsicht.
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Als Leuchtstoffe können bei dem vorgeschlagenen Flächendetektor bekannte Phosphore zum Einsatz kommen. Ein Beispiel für einen für die Umwandlung von EUV-Strahlung geeigneten Phosphor ist Gd2O2S:Tb. Dieser Leuchtstoff absorbiert einen großen Teil der einfallenden EUV-Strahlung und re-emittiert Licht im sichtbaren Spektralbereich als Sekundärstrahlung, die dann von den Detektorelementen 2 erfasst wird. Selbstverständlich lassen sich auch andere Leuchtstoffe bei dem Flächendetektor einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Array
- 2
- Detektorelement
- 3
- Leuchtstoffschicht
- 4
- Sekundärstrahlung
- 5
- optisches Element
- 6
- Mikrolinsenarray
- 7
- Zirkoniumbeschichtung
