DE102015214960A1

DE102015214960A1 - Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer Oberfläche einer flächigen Probe

Info

Publication number: DE102015214960A1
Application number: DE102015214960.9A
Authority: DE
Inventors: Andrés Fabián Lasagni; Teja Roch; Eckhard Beyer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: DE102015214960B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer Oberfläche einer flächigen Probe (1) mit einer Laserstrahlquelle (10), einem im Strahlengang eines von der Laserstrahlquelle (10) emittierten Laserstrahls (3) angeordneten optischen Trennelement (2) zum Auftrennen des auftreffenden polarisierten Laserstrahls (3) in mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5) mit jeweils unterschiedlicher Polarisation. Ein Überlagerungselement (7, 7a, 7b, 7c) überlagert die mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5) derart auf der zu strukturierenden Oberfläche der Probe (1), dass die mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5) auf der Probe (1) interferieren. Im Strahlengang mindestens eines der Teilstrahlen (4 oder 5) ist ein weiteres Einstellelement (8) zum Einstellen einer identischen Polarisation beider Teilstrahlen (4, 5) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer Oberfläche einer flächigen Probe.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Laserinterferenzstrukturierung ist oftmals nachteilig, dass einerseits Wegdifferenzen von Teilstrahlen nicht zu vermeiden sind und andererseits an strahlteilenden Elementen Leistungsverluste einer Laserquelle von ungefähr 20 Prozent auftreten. Bei einer Verwendung von diffraktiven optischen Elementen (DOE) in Kombination mit zwei Linsen oder bei Verwendung von Prismen, wie es zum Beispiel in der Druckschrift DE 10 2011 119 764 A1 beschrieben ist, ist es unvorteilhaft, dass zur Anpassung einer Interferenzperiode die Linsen getauscht werden müssen bzw. dass durch eine Bestrahlung einer Ecke des Prismas unerwünschte Beugungseffekte entstehen und die Interferenzperiode nicht angepasst werden kann.
Bei einem Strahlteileraufbau wie in Druckschrift DE 10 2013 007 524 A1 offenbart ist es nachteilig, dass der Aufbau nicht kompakt ist und bei einer Anpassung der Interferenzperiode die Spiegel präzise nachjustiert werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der die genannten Nachteile überwunden werden können und eine optische Weglängendifferenz von Teilstrahlen klein gehalten wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer Oberfläche einer flächigen Probe weist eine Laserstrahlquelle auf. In einem Strahlengang eines von der Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahls ist ein optisches Trennelement angeordnet, das zum Auftrennen des auftreffenden polarisierten Laserstrahls in mindestens zwei Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlicher Polarisation dient. Falls der von der Laserstrahlquelle emittierte Laserstrahl eine von einer zirkularen Polarisation verschiedene Polarisation aufweist, ist zwischen der Laserstrahlquelle und dem optischen Trennelement ein Einstellelement angeordnet zum Einstellen einer Intensität der beiden Teilstrahlen. Ein Überlagerungselement überlagert auf der zu strukturierenden Oberfläche der Probe die mindestens zwei Teilstrahlen derart, dass die mindestens zwei Teilstrahlen auf der Probe interferieren. Im Strahlengang mindestens eines der Teilstrahlen ist ein weiteres Einstellelement zum Einstellen einer identischen Polarisation beider Teilstrahlen angeordnet.
Durch die beschriebene Vorrichtung kann ein optisches System zur verbesserten Erzeugung von eindimensionalen und zweidimensionalen Interferenzmustern, deren Periode und Orientierung vorzugsweise von Pixel zu Pixel verändert werden kann, hergestellt werden. Durch Ausnutzen der Polarisationseigenschaften des Laserstrahls wird ein kompakter Aufbau realisiert, bei dem die Strahlteilung mit deutlich verringerten Verlusten durch das Auftrennen des Laserstrahls in Teilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisation erfolgt. Da die Polarisationseigenschaften ausgenutzt werden, ergibt sich auch ein vereinfachter Aufbau mit vergleichsweise wenigen optischen Elementen. Indem diese beiden Teilstrahlen nach dem Auftrennen in ihrer Polarisation durch das weitere, typischerweise zweite Einstellelement angeglichen werden, ist ein effizientes Interferieren auf der Probe, vorzugsweise einem Halbleitersubstrat oder einer Folie, möglich. Durch die kompakte Bauform ist es möglich, einen Laserinterferenzkopf zu bauen, der in bewegliche Maschinen integriert werden kann, so dass auch Bauteile strukturiert werden können, die zu schwer sind, um unter einen ortsfesten Laserstrahl bewegt zu werden. Da der beschriebene Aufbau nur geringe optische Wegdifferenzen mit sich bringt, können auch Lasersysteme als Laserstrahlquelle genutzt werden, die nur geringe Kohärenzlängen aufweisen. Typischerweise ist das Einstellelement als erstes Einstellelement nur dann vorgesehen, wenn die Polarisation des Laserstrahls noch eingestellt werden muss, wenn also der Laserstrahl nicht bereits zirkular polarisiert ist.
Die Laserstrahlquelle kann, da die optische Weglängendifferenz der verwendeten Teilstrahlen mit der beschriebenen Vorrichtung klein gehalten wird, eine gepulste Laserquelle mit Pulsen größer oder gleich 90 fs Pulsdauer sein. Typischerweise wird Laserstrahlung im ultravioletten (Wellenlänge 100 nm–380 nm), sichtbaren (Wellenlänge 380 nm–780 nm) oder auch im infraroten Bereich (Wellenlänge 780 nm–3 µm) elektromagnetischer Strahlung von der Laserstrahlquelle emittiert. Eine Pulsenergie kann hierbei zwischen 10 µJ und 2 J, vorzugsweise zwischen 100 µJ und 1 J liegen. Es kann vorgesehen sein, dass eine Pulsfrequenz zwischen 10 Hz und 1 MHz, vorzugsweise zwischen 100 Hz und 500 Hz liegt. Vorzugsweise beträgt eine Pulsdauer zwischen 90 fs und 50 ns, besonders vorzugsweise zwischen 500 fs und 1 ns.
Es kann vorgesehen sein, dass das optische Trennelement ein Strahlteiler ist, also ein Bauteil, das einen auftreffenden Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufteilt. Typischerweise ist der Strahlteiler dazu ausgebildet, zwei Teilstrahlen unterschiedlicher Polarisation zu generieren. Vorzugsweise ist das optische Trennelement ein Wollaston-Prisma, ein polarisierender Strahlteiler, ein Polarisationsprisma oder eine doppelbrechende Platte, die auch als "beam displacer" bezeichnet werden kann. Hiermit ist eine einfache Aufteilung des Laserstrahls, insbesondere eine polarisationsabhängige Auftrennung in mindestens zwei Teilstrahlen möglich. Hierdurch werden Beugungsverluste, die bei bekannten diffraktiven optischen Elementen auftreten, vermieden.
Das Einstellelement bzw. das weitere Einstellelement kann so ausgebildet sein, dass sich die Polarisation des auftreffenden Laserstrahls oder des auftreffenden Teilstrahls verändert. Hierdurch kann durch das jeweilige Einstellelement nicht nur die Polarisation angepasst werden, sondern durch das im Falle einer noch anzupassenden Polarisation des Laserstrahls vor dem Trennelement angeordnete erste Einstellelement auch eine Intensität der beiden Teilstrahlen.
Typischerweise ist das Einstellelement und bzw. oder das weitere Einstellelement eine λ/2-Platte oder eine λ/4-Platte, die bei kompaktem Aufbau eine einfache Beeinflussung der Polarisation ermöglichen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Überlagerungselement ein fokussierendes optisches Element und bzw. oder mindestens ein reflektierendes optisches Element sein. Das fokussierende optische Element ist vorzugsweise eine optische Linse, auf die die Teilstrahlen auftreffen und die die Teilstrahlen auf der Probenoberfläche bündelt. Das Überlagerungselement kann auch ein Prisma sein. Das reflektierende optische Element weist bevorzugt mindestens zwei Spiegel auf, wobei auf jeden der Spiegel einer der Teilstrahlen auftrifft und von diesem Spiegel auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt auf der Probe reflektiert wird. Die Spiegel sind in besonders bevorzugter Weise als Planspiegel ausgebildet. Hiermit kann sich eine einfache Überlappung stark fokussierter Strahlen ergeben. Die Überlappung erfolgt quasi-automatisch, es muss nur die Probe im richtigen Abstand zum Überlagerungselement platziert werden.
Als Überlagerungselement kann ein f-theta-Objektiv oder eine konvexe, vorzugsweise eine asphärische optische Linse dienen, wobei zwischen der optischen Linse und dem optischen Trennelement ein Ausrichtelement zum parallelen Ausrichten der mindestens zwei Teilstrahlen angeordnet ist. Hierdurch kann eine Strahlführung der Teilstrahlen eingerichtet und zum effizienten Interferieren der beiden Teilstrahlen ausgelegt werden.
Vorzugsweise ist das Ausrichtelement parallel zum Strahlengang des Laserstrahls verschiebbar, um eine Interferenzperiode durch das Verschieben zu verändern. Das Ausrichtelement kann als ein Prisma, eine optische Keilplatte oder eine Pyramide, aber auch in Form eines Pyramidenstumpfs, eines Polyeders, eines Kegels oder eines Kegelstumpfs ausgebildet sein.
Ein Verfahren zur Interferenzstrukturierung einer flächigen Probe wird mit einer Vorrichtung mit den beschriebenen Eigenschaften durchgeführt. Die beschriebene Vorrichtung bzw. das beschriebene Verfahren werden typischerweise zur Lasergravur oder zur Vorbehandlung einer Probenoberfläche für eine Klebeverbindung verwendet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert.
Es zeigen:
1 eine seitliche Ansicht einer Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung mit einem Wollaston-Prisma als strahlteilendem Element;
2 eine 1 entsprechende Ansicht der Vorrichtung mit einem polarisierenden Strahlteiler und
3 eine 1 entsprechende Ansicht der Vorrichtung mit einem Calcit-Prisma als strahlteilendem Element.
In 1 ist in einer seitlichen Ansicht eine Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer Oberfläche einer flächigen Probe 1 dargestellt. Eine Laserstrahlquelle 10 emittiert einen bereits polarisierten Laserstrahl 3. Der Laserstrahl 3 ist ein gepulster Laserstrahl mit einer Pulslänge von 95 fs, die Wellenlänge beträgt 800 nm. In weiteren Ausführungsformen kann aber beispielsweise auch eine Wellenlänge 355 nm und eine Pulslänge 10 ns betragen
Der Laserstrahl 3 ist linear polarisiert in der Bildebene und trifft auf ein erstes Einstellelement 6, typischerweise eine λ/2-Platte oder eine λ/4-Platte, mit dem die Polarisation des Laserstrahls 3 beeinflusst wird. Nach Durchlaufen des Einstellelements 6 liegt somit keine reine lineare Polarisation in der Bildebene mehr vor. Der Laserstrahl 3 trifft danach auf ein optisches Trennelement 2 in Form eines Wollaston-Prismas 2a, das den Laserstrahl 3 in zwei Teilstrahlen 4 und 5 mit jeweils unterschiedlicher Polarisation aufspaltet. Ein Intensitätsverhältnis der Teilstrahlen 4 und 5 kann mittels des vor dem Wollaston-Prisma 2a angeordneten polarisierenden Einstellelements 6 kontrolliert werden. Falls der Laserstrahl 3 bereits zirkular polarisiert ist, kann auf das erste Einstellelement 6 auch verzichtet werden.
Der Teilstrahl 4 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum linear polarisiert in der Bildebene, während der Teilstrahl 5 eine von dieser Polarisation verschiedene Polarisation aufweist. Der Teilstrahl 5 durchläuft ein weiteres, zweites Einstellelement 8, wiederum eine λ/2-Platte oder eine λ/4-Platte, um eine identische Polarisation mit dem Teilstrahl 4 aufzuweisen. Die beiden Teilstrahlen 4 und 5 treffen auf ein im Strahlengang verschiebbar angeordnetes Prisma 9 und werden nach Durchlaufen des Prismas 9 parallel geführt. Anschließend treffen die beiden Teilstrahlen 4 und 5 auf eine asphärische optische Linse 7c als Überlagerungselement 7 und werden auf die Probenoberfläche der Probe 1 fokussiert, wo sie sich überlagern und interferieren. Alternativ kann als Überlagerungselement 7 auch ein zweites Prisma oder ein Prisma mit mehreren Winkeln verwendet werden. Typischerweise weist ein derartiges Prisma eine flache Seite Grundseite auf sowie dieser Grundseite gegenüberliegend mehrere vorzugsweise um einen gleichen Winkel gegeneinander verkippte Seiten. Bei einem derartigen Prisma trifft der Laserstrahl nicht fokussiert auf die Probe und ein Benutzer ist nicht mehr abhängig von einer Fokuslage.
Durch die dargestellte Kombination eines auf das Trennelement 2 angepassten Prismas 9 und der optischen Linse 7c ist es möglich, die Interferenzperiode durch das Verschieben des Prismas 9 parallel zum Strahlengang des Laserstrahls 3 zu verändern. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es natürlich auch möglich, durch Verwenden weiterer strahlteilender Trennelemente 2 auch drei, vier oder mehr als vier Teilstrahlen zu erzeugen und somit eine große Variation an Strukturen zur direkten Laserinterferenzstrukturierung zu ermöglichen.
Statt des Prismas 9 kann auch beispielsweise eine Pyramide mit vier Facetten in den Strahlengang eingefügt werden, die die Teilstrahlen parallel ausrichtet. In diesem Fall bilden sich bei der anschließenden Überlappung durch die optische Linse 7c jedoch keine Interferenzlinien, sondern Punktstrukturen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 2 in einer 1 entsprechenden Ansicht dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in der folgenden Figur mit identischen Bezugszeichen versehen. Wie in 1 emittiert die Laserstrahlquelle 10 den Laserstrahl 3, der durch das Einstellelement 6 in seiner Polarisation verändert wird. Anstelle des Wollaston-Prismas 2a wird nun als optisches Trennelement 2 aber ein polarisierender Strahlteiler 2b verwendet, der die beiden Teilstrahlen 4 und 5 mit unterschiedlicher Polarisation räumlich trennt. Die Überlagerungsvorrichtung 7 ist in diesem Beispiel durch zwei Planspiegel 7a und 7b realisiert, die jeweils einen der Teilstrahlen 4 und 5 auf die Probe 1 umlenken, so dass diese dort interferieren. Der Planspiegel 7b, der den Teilstrahl 4 umlenkt, ist teildurchlässig, so dass ein Teil des Teilstrahls 4 auf einen Detektor 11 gelangt, durch den die Polarisation dieses Teilstrahls 4 überprüft werden kann.
Der Teilstrahl 5 wird wie bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durch das weitere, zweite Einstellelement 8 im Hinblick auf die optische Polarisation verändert, bevor er durch den Planspiegel 7a auf die Probe 1 umgelenkt wird. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch der Planspiegel 7a teildurchlässig sein, so dass durch einen hinter dem Planspiegel 7a angeordneten Detektor 11 auch die Polarisation des Teilstrahls 5 kontrolliert werden kann.
3 zeigt in einer 1 entsprechenden seitlichen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung. Hierbei dient als Trennelement 2 ein Calcit-Prisma 2c, das auch als "beam displacer" bezeichnet wird. Das Calcit-Prisma 2c teilt den Laserstrahl 3 in zwei Teilstrahlen 4 und 5 mit jeweils unterschiedlicher optischer Polarisation und die beiden Teilstrahlen 4 und 5 werden nach Verlassen des Prismas parallel zueinander auf die optische Linse 7c geführt, die sie wie beschrieben auf der Probe 1 zur Interferenz bringt. Wie in den zuvor bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Teilstrahl 5 durch das zweite Einstellelement 8 geführt und seine Polarisation dabei an die optische Polarisation des Teilstrahls 4 angepasst.
In diesem Ausführungsbeispiel wird auf das Prisma 9 verzichtet und die Teilstrahlen 4 und 5 werden ausschließlich mittels einer einzigen optischen Linse 7c auf dem Bauteil überlagert. Es ist jedoch auch möglich, innerhalb dieses Aufbaus durch zwei weitere Prismen den Abstand zwischen den beiden parallelen Teilstrahlen und damit die Interferenzperiode zu verändern.
Die in den einzelnen Ausführungsbeispielen in Kombination miteinander verwirklichten Merkmale bzw. Abfolgen optischer Bauelemente müssen im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht genau in den beschriebenen Konfigurationen verwirklicht sein. Insbesondere kann statt der optischen Linse 7c auch ein Spiegelsystem eingesetzt werden oder das nach dem Trennelement 2 angeordnete Einstellelement 8 kann auch erst nach dem Überlagerungselement 7 die Polarisation des jeweiligen Teilstrahls 5 einstellen.
Die beschriebene Vorrichtung kombiniert somit unterschiedliche optische Elemente. Wesentlich ist die Verwendung von strahlteilenden Elementen, die in Abhängigkeit von der optischen Polarisation des auftreffenden Lichts den Laserstrahl 3 räumlich in zwei Teilstrahlen 4 und 5 trennen. Die beschriebenen Ausführungsformen können schließlich auch mit Laserscannern kombiniert werden. Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können also miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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

DE 102011119764 A1 [0002]
DE 102013007524 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung einer Oberfläche einer flächigen Probe (1) mit einer Laserstrahlquelle (10), einem im Strahlengang eines von der Laserstrahlquelle (10) emittierten Laserstrahls angeordneten optischen Trennelement (2) zum Auftrennen des auftreffenden polarisierten Laserstrahls (3) in mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5) mit jeweils unterschiedlicher Polarisation sowie, falls der von der Laserstrahlquelle (10) emittierte Laserstrahl eine von einer zirkularen Polarisation verschiedene Polarisation aufweist, einem zwischen der Laserstrahlquelle (10) und dem optischen Trennelement (2) angeordneten Einstellelement (6) zum Einstellen einer Intensität der Teilstrahlen (4, 5), wobei ein Überlagerungselement (7, 7a, 7b, 7c) die mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5) derart auf der zu strukturierenden Oberfläche der Probe (1) überlagert, dass die mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5) auf der Probe (1) interferieren, und im Strahlengang mindestens eines der Teilstrahlen (4 oder 5) ein weiteres Einstellelement (8) zum Einstellen einer identischen Polarisation beider Teilstrahlen (4, 5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Trennelement (2) ein Strahlteiler ist und vorzugsweise als ein Wollaston-Prisma (2a), ein polarisierender Strahlteiler (2b), ein Polarisationsprisma oder eine doppelbrechende Platte (2c) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellelement (6, 8) so ausgebildet ist, dass sich die Polarisation des auftreffenden Laserstrahls oder des auftreffenden Teilstrahls (4 oder 5) verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellelement (6, 8) eine λ/2-Platte oder eine λ/4-Platte ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungselement (7) ein fokussierendes optisches Element, vorzugsweise eine optische Linse (7c), ein Prisma und/oder mindestens ein reflektierendes optisches Element, bevorzugt mindestens zwei Spiegel (7a, 7b), aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungselement ein f-theta-Objektiv oder eine konvexe, vorzugsweise eine asphärische optische Linse (7c) ist, wobei zwischen der optischen Linse (7c) und dem optischen Trennelement (2) ein Ausrichtelement (9) zum parallelen Ausrichten der mindestens zwei Teilstrahlen (4, 5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtelement (9) parallel zum Strahlengang des Laserstrahls verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtelement (9) als ein Prisma, eine optische Keilplatte oder eine Pyramide ausgebildet ist.
Verfahren zur Interferenzstrukturierung einer flächigen Probe (1), wobei das Verfahren mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.
Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Lasergravur oder zur Vorbehandlung einer Probenoberfläche für eine Klebeverbindung.