DE102017205889B4

DE102017205889B4 - Optische Anordnung und Verfahren zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe

Info

Publication number: DE102017205889B4
Application number: DE102017205889.7A
Authority: DE
Inventors: Tim Kunze; Andrés Fabián Lasagni
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: 2017-04-06
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: WO2018184934A1; DE102017205889A1

Abstract

Optische Anordnung zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe (10) mit
einer Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls (11),
einem Strahlteilerelement (4), das den Laserstrahl (11) in zwei Teilstrahlen (12, 13) derart aufteilt, dass einer der zwei Teilstrahlen (12, 13) innerhalb des Strahlteilerelements (4) einen längeren Weg durchläuft als der andere Teilstrahl (12, 13),
einem Umlenkelement (5), das einen der beiden Teilstrahlen (12, 13) derart umlenkt, dass beide Teilstrahlen (12, 13) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und
einem Fokussierelement (9), das die beiden im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen (12, 13) durchlaufen, so dass die Teilstrahlen (12, 13) auf einer Oberfläche der Probe (10) interferieren,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilerelement (4) als ein Pentaprismenstrahlteiler ausgebildet ist und in dem Strahlteilerelement (4) mindestens eine Reflexion des Teilstrahls (12, 13), der den längeren Weg zurücklegt, erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung und ein Verfahren zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe.
Deterministische Oberflächenstrukturen lassen sich mittels Laserinterferenzstrukturierung herstellen. Aus dem Stand der Technik bekannte optische Anordnungen zum Erzeugen von Interferenzmustern können durch Spiegelkonfigurationen (wie in DE 10 2011 101 415 A1 beschrieben), eine Anordnung mit zwei Biprismen (wie beispielsweise in DE 10 2011011 734 A1 offenbart) oder durch eine Kombination von diffraktiven optischen Elementen (DOE) mit einem Biprisma (wie in DE 10 2013 004 869 A1 diskutiert) erreicht werden. US 6169631 B1 offenbart eine Vorrichtung mit einer Strahlteilerplatte, bei der durch die Strahlteilerplatte generierte Teilstrahlen an Spiegeln auf eine zu bearbeitende Probenoberfläche reflektiert werden. Aus US 5910256 A ist eine Vorrichtung mit ähnlichem Aufbau bekannt, bei der ein einfallender Laserstrahl über einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und diese Teilstrahlen auf einer Substratoberfläche überlagert werden.
DE 10 2015 214 960 A1 befasst sich schließlich mit einer Vorrichtung zur Interferenzstrukturierung, bei der ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen geteilt wird, von denen einer ein Einstellelement zum Einstellen der Polarisation durchläuft, bevor beide Teilstrahlen auf eine zu bearbeitende Probenoberfläche gelenkt werden.
Aufgrund einer starren Spiegelanordnung ist bei Verwenden einer Spiegelkonfiguration jedoch keine flexible Gestaltung der Strukturen möglich. Zudem muss hierbei eine aufwändige Justierung durchgeführt werden und der Lösungsansatz ist nicht kompakt.
Werden zwei Biprismen verwendet, sind keine wohldefinierten Strahlteilungsverhältnisse möglich. Außerdem ist eine Flexibilität des Systems wegen der starren Prismenanordnung eingeschränkt und es können keine kleinen Laserquerschnitte erzeugt werden.
Bei einer DOE-Konfiguration ist schließlich ein hoher Leistungsverlust einer zum Interferieren benötigten Laserstrahlung zu beobachten. Zudem ist ein entsprechender Aufbau kostenintensiv wegen der notwendigen Spezialanfertigungen von DOE und Prisma.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung und ein Verfahren zum Laserinterferenzstrukturieren vorzuschlagen, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden können und somit mit hoher Leistungseffizienz, Flexibilität und Kosteneffizienz eine Strukturierung einer Probe erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine optische Anordnung zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe weist eine Laserstrahlungsquelle, ein Strahlteilerelement, ein Umlenkelement und ein Fokussierelement auf. Ein von der Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl trifft auf das Strahlteilerelement, das den Laserstrahl in zwei Teilstrahlen derart aufteilt, dass einer der beiden Teilstrahlen innerhalb des Strahlteilerelements einen längeren Weg durchläuft als der andere Teilstrahl. Durch das Umlenkelement wird einer der beiden Teilstrahlen derart umgelenkt, dass beide Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und auf das Fokussierelement treffen. Die beiden im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen durchlaufen das Fokussierelement und werden dabei von dem Fokussierelement derart auf eine Oberfläche der Probe gerichtet, dass die zwei Teilstrahlen auf der Oberfläche der Probe interferieren.
Da durch das Strahlteilerelement, das ein definiertes Strahlteilverhältnis aufweist, der ursprüngliche Laserstrahl geteilt wird, ist eine gezielte Einstellung nicht nur der Intensitäten der beiden generierten Teilstrahlen, sondern auch durch passende Wahl der geometrischen Relationen des Strahlteilerelements eine Anpassung des Weglängenunterschieds zwischen beiden Teilstrahlen möglich. Somit ergeben sich definierte Strahlteilungsverhältnisse, ein geringer Leistungsverlust zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Oberfläche der Probe, sowie eine kostengünstige und industrietaugliche Ausgestaltung der optischen Anordnung. Der Wegunterschied zwischen den beiden aufgeteilten Teilstrahlen kann durch das Umlenkelement bzw. weitere optische Elemente eingestellt und auch minimiert werden. Zudem kann die optische Anordnung durch passende Ausrichtung flexibel an verschiedene Oberflächenstrukturen angepasst werden. Unter dem Begriff „im Wesentlichen parallel“ soll im Rahmen dieser Schrift ein Winkelversatz von zwischen +15° und -15° zwischen den beiden Teilstrahlen, insbesondere aber natürlich kein Winkelversatz, also 0°, verstanden werden. Das Strahlteilerelement ist typischerweise aus einem Werkstoff, bei dem ein Unterschied in der optischen Brechzahl zur Umgebung besteht, wobei die eigentliche Strahlteilung typischerweise an einer Beschichtung innerhalb des Strahlteilerelements stattfindet. Der in das Strahlteilerelement eintretende Laserstrahl tritt also typischerweise von einem Medium mit einer ersten Brechzahl in ein Medium mit einer von der ersten Brechzahl verschiedenen zweiten Brechzahl ein.
Es ist vorgesehen, dass in dem Strahlteilerelement mindestens eine Reflexion des Teilstrahls erfolgt, der den längeren Weg in dem Strahlteilerelement zurücklegt. Dies geschieht vorzugsweise an einer Beschichtung des Strahlteilerelements. Hierdurch kann gezielt die Weglänge und somit ein Wegunterschied beeinflusst werden.
Das Strahlteilerelement ist als ein Pentaprismenstrahlteiler ausgebildet, um den Wegunterschied gezielt beeinflussen zu können. Unter einem „Pentaprismenstrahlteiler“ soll hierbei insbesondere eine Kombination eines Pentaprismas mit einem Keilprisma verstanden werden. Das Keilprisma sitzt vorzugsweise auf der Oberfläche des Pentaprismas auf, an der die Aufteilung in die beiden Teilstrahlen erfolgt.
Das Umlenkelement kann als ein Umlenkprisma oder als ein Umlenkspiegel ausgestaltet sein. Die Verwendung eines Umlenkprismas weist den Vorteil auf, dass somit eine ausschließlich aus Prismen aufgebaute optische Anordnung erreichbar ist.
Vorzugsweise wird der Teilstrahl, der den kürzeren Weg im Strahlteilerelement zurückgelegt hat, an dem Umlenkelement umgelenkt, um eine weitere Beeinflussung des Teilstrahls, der den längeren Weg zurückgelegt hat, zu vermeiden.
Es kann vorgesehen sein, dass ein drehbares Umkehrprisma, vorzugsweise ein Dove-Prisma, von den beiden Teilstrahlen durchlaufen wird, bevor die beiden Teilstrahlen auf dem Fokussierelement auftreffen. Das Umkehrprisma ist somit zwischen dem Strahlteilerelement und dem Fokussierelement angeordnet. Hierdurch können auch rotierbare Oberflächenstrukturen generiert werden.
Mindestens einer der beiden Teilstrahlen durchläuft mindestens ein Prisma, vorzugsweise ein Keilprisma, zum Parallelisieren und bzw. oder Ausrichten der beiden Teilstrahlen. In bevorzugter Weise wird jedoch in symmetrischer Weise eine Kombination von mindestens zwei Prismen verwendet, von denen jeder der Teilstrahlen wenigstens eines der Prismen durchläuft.
Das mindestens eine Prisma ist typischerweise auf einer Verfahreinheit angeordnet und bzw. oder durch die Verfahreinheit bewegbar, um eine resultierende Strukturperiode flexibel einstellen zu können. Vorzugsweise sind sämtliche der Prismen, die zum Parallelisieren der beiden Teilstrahlen oder zum Ausrichten der beiden Teilstrahlen verwendet werden, durch die Verfahreinheit bewegbar. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Umlenkelement auf einer Verfahreinheit angeordnet und durch diese verfahrbar sein. Vorzugsweise ist eine Kontrollvorrichtung vorgesehen zum Ansteuern der Verfahreinheit bzw. der Verfahreinheiten.
Der Laserstrahl kann auch auf ein vor dem Strahlteilerelement angeordnetes Strahlformungselement auftreffen und das Strahlformungselement durchlaufen. Somit wird der Laserstrahl vor dem Aufteilen in die beiden Teilstrahlen mit einer definierten Strahlform in das Strahlteilerelement geleitet. Das Strahlformungselement ist typischerweise ein anamorphisches Prisma oder ein Top Hat-Strahlformer.
Das Fokussierelement kann als eine Sammellinse, vorzugsweise eine plankonvexe Sammellinse, oder eine Zylinderlinse ausgebildet sein.
Die Laserstrahlungsquelle ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen gepulsten Laserstrahl mit einer Pulsbreite zwischen 0,1 ps und 100 ns zu emittieren. In besonders bevorzugter Weise beträgt die Pulsbreite 5 ps bis 15 ns.
Bei einem Verfahren zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe wird ein von einer Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl mit einem Strahlteilerelement derart in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, dass einer der zwei Teilstrahlen innerhalb des Strahlteilerelements einen längeren Weg durchläuft als der andere Teilstrahl. Einer der beiden Teilstrahlen wird durch ein Umlenkelement derart umgelenkt, dass beide Teilstrahlen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Die beiden im Wesentlichen parallel zueinander laufenden Teilstrahlen treffen auf ein Fokussierelement und werden von dem Fokussierelement auf eine Oberfläche der Probe gebündelt bzw. fokussiert, so dass sie auf dieser Probenoberfläche interferieren.
Das beschriebene Verfahren kann mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden, d. h. die beschrieben Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer optischen Anordnung zum Interferenzstrukturieren mit zwei Teilstrahlen;
2 eine Ansicht eines Dove-Prismas,
3 eine Draufsicht auf eine optische Anordnung zur Dreistrahlinterferenz und
4 eine 1 entsprechende Ansicht der in 3 in Draufsicht gezeigten Anordnung.

In 1 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht eine optische Anordnung zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe 10 dargestellt. Ausgehend von einer Laserstrahlungsquelle 1 wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein emittierter Laserstrahl 11 über zwei Umlenkspiegel 2 auf einen Pentaprismenstrahlteiler 4 mit definiertem Strahlteilungsverhältnis (beispielsweise 50/50 oder 70/30) gelenkt und es werden zwei Teilstrahlen 12 und 13 generiert. Ein nachgeschaltetes Rechteckprisma 5, das typischerweise von dem Pentaprismenstrahlteiler räumlich beabstandet ist, parallelisiert die beiden Teilstrahlen 12 und 13 zueinander. Der Teilstrahl 13 wird hierbei in dem Pentaprismenstrahlteiler 4 nochmals reflektiert und durchläuft in dem Pentaprismenstrahlteiler 4 eine längere Wegstrecke als der weitere Teilstrahl 12. Dieser Teilstrahl 12 wird wiederum an dem Rechteckprisma 5 als Umlenkelement umgelenkt, so dass zumindest bereichsweise die beiden Teilstrahlen 12 und 13 parallel zueinander geführt sind. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Strahlformungselement 3 in Form eines anamorphischen Prismenelements vor dem Pentaprismenstrahlteiler 4 angeordnet, in dem durch Ausprägen eines elongierten elliptischen Laserquerschnitts eine Strahlformung erfolgt.
Durch eine nach dem Pentaprismenstrahlteiler 4 bzw. dem Rechteckprisma 5 angeordnete Kombination aus Keilprismen 6 und 7 kann der Strahlengang und somit auch eine Entfernung der beiden Teilstrahlen 12, 13 zueinander kontrolliert werden. Die damit verbundene Kontrolle des Teilstrahlabstands mittels einer Verfahreinheit 14, auf der im gezeigten Ausführungsbeispiel die oberen der beiden Prismen 6 und 7 angeordnet sind, hat Einfluss auf eine später resultierende Strukturperiode Λ gemäß der Formel $Λ= \frac{λ}{2 sin α}$
mit λ als Laserstrahlwellenlänge und α als halbem Überlappwinkel der Teilstrahlen 12, 13. Durch ein nachgeschaltetes Dove-Prisma 8, das zwischen den Keilprismen 6, 7 und einem Fokussierelement 9 in Form einer Fokussierlinse angeordnet ist, können die Teilstrahlen 12, 13 zueinander rotiert werden, so dass eine Drehung einer auf einer Oberfläche der Probe 10 auszubildenden Oberflächenstruktur erreicht werden kann. Durch das Fokussierelement 9 werden die beiden Teilstrahlen 12 und 13 schließlich auf die Probenoberfläche fokussiert und zur Interferenz gebracht.
2 zeigt eine Rotation der Teilstrahlen 12 und 13 mittels des Dove-Prismas 8 als drehbarem Umlenkprisma. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Während auf einer linken Seite des Dove-Prismas 8 die beiden Teilstrahlen 12, 13 eintreten, wird dieses Strahlenpaar durch eine Drehung des Dove-Prismas 8 um 10° um seine Längsachse, die parallel zu den beiden Teilstrahlen 12 und 13 verläuft, rotiert, so dass eine Rotation der Teilstrahlen 12, 13 um 20° (gemessen am nicht rotierten Prisma) beim Strahlenaustritt auf der rechten Seite des Dove-Prismas 8 erfolgt.
In 3 ist in einer Draufsicht eine optische Anordnung zur Dreistrahlinterferenz wiedergegeben. Der beschriebene Lösungsansatz beruht auf einer Verwendung spezieller strahlteilender Prismenelement (wie Pentaprismenstrahlteiler, Prismen mit lateralem Strahlversatz usw.) in Kombination mit weiteren Prismen (z. B. Rechteckprismen, rhombische Prismen etc.). Somit lassen sich optische Anordnungen ausgestalten, aus denen mindestens zwei Teilstrahlen 12, 13 resultieren. Weitere Interferenzaufbauten mit mehr als zwei Teilstrahlen lassen sich z. B. aus einer Kombination eines Prismas mit lateralem Strahlversatz, einem Pentaprismenstrahlteiler und zwei Rechteckprismen erzeugen.
Bei der in 3 gezeigten optischen Anordnung wird in Analogie zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel von der Laserstrahlungsquelle 1 ein Laserstrahl 11 emittiert und von dem Umlenkspiegel 2 umgelenkt. Nun wird jedoch ein Prismenteiler 17 mit lateralem Strahlversatz verwendet, der den Laserstrahl 11 in einem Strahlverhältnis 70/30 aufteilt, wobei eine Intensität von 70 Prozent auf den optischen Unterpfad 15 entfallen und die restlichen 30 Prozent auf einen optischen Oberpfad 16.
In 4 ist in einer 1 entsprechenden Darstellung eine seitliche Ansicht dieses Aufbaus gezeigt. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 1 sind nun drei Teilstrahlen 12, 13 und 18 vorhanden, deren Distanz (und somit die später resultierende Strukturperiode) zueinander wie gehabt mittels der Keilprismen 6 und 7 kontrolliert wird. Innerhalb jedes Strahlengangs der Teilstrahlen 12, 13 und 18 ist nun noch ein Polarisator 19 angeordnet, es kann aber auch auf die Polarisatoren 19 verzichtet werden oder ein anderes optisches Element eingebaut werden. Die drei Teilstrahlen 12, 13 und 18 werden mittels des Fokussierelements 9 auf der Probenoberfläche zur Interferenz gebracht, so dass ein Interferenzmuster auf der Oberfläche der Probe 10 erzeugt wird. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen der Interferenzstrukturierung kann somit auch eine symmetrische Dreistrahlinterferenz erreicht werden. Durch eine additive Kombination aller genannten Prismen lassen sich auch Vierstrahlinterferenzanordnungen oder höhere Interferenzanordnungen erzeugen.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.

Claims

Optische Anordnung zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe (10) mit einer Laserstrahlungsquelle (1) zum Emittieren eines Laserstrahls (11), einem Strahlteilerelement (4), das den Laserstrahl (11) in zwei Teilstrahlen (12, 13) derart aufteilt, dass einer der zwei Teilstrahlen (12, 13) innerhalb des Strahlteilerelements (4) einen längeren Weg durchläuft als der andere Teilstrahl (12, 13), einem Umlenkelement (5), das einen der beiden Teilstrahlen (12, 13) derart umlenkt, dass beide Teilstrahlen (12, 13) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und einem Fokussierelement (9), das die beiden im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen (12, 13) durchlaufen, so dass die Teilstrahlen (12, 13) auf einer Oberfläche der Probe (10) interferieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilerelement (4) als ein Pentaprismenstrahlteiler ausgebildet ist und in dem Strahlteilerelement (4) mindestens eine Reflexion des Teilstrahls (12, 13), der den längeren Weg zurücklegt, erfolgt.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (5) als ein Umlenkprisma oder als ein Umlenkspiegel ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drehbares Umkehrprisma, insbesondere ein Dove-Prisma (8), das die beiden Teilstrahlen (12, 13) durchlaufen, vor dem Fokussierlement (9) angeordnet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Teilstrahlen (12, 13) mindestens ein Prisma (6, 7), vorzugsweise ein Keilprisma, zum Ausrichten der beiden Teilstrahlen (12, 13) durchläuft.
Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Prisma (6, 7) durch eine Verfahreinheit (14) bewegbar ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (11) auf ein vor dem Strahlteilerelement (4) angeordnetes Strahlformungselement (3), vorzugsweise ein anamorphisches Prisma oder ein Top-Hat-Strahlfomer, angeordnet ist, auftrifft und es durchläuft.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierlement (9) als eine Sammellinse oder eine Zylinderlinse ausgebildet ist.
Verfahren zur Laserinterferenzstrukturierung einer Probe (10), bei dem ein von einer Laserstrahlungsquelle (1) emittierter Laserstrahl (11) mit einem Strahlteilerelement (4) derart in zwei Teilstrahlen (12, 13) aufgeteilt wird, dass einer der zwei Teilstrahlen (12, 13) innerhalb des Strahlteilerelements (4) einen längeren Weg durchläuft als der andere Teilstrahl (12, 13), und einer der beiden Teilstrahlen (12, 13) durch ein Umlenkelement (5) derart umgelenkt wird, dass beide Teilstrahlen (12, 13) im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, sowie die beiden im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Teilstrahlen (12, 13) auf ein Fokussierelement (9) treffen und von dem Fokussierelement (9) auf eine Oberfläche der Probe (10) gelangen, so dass die Teilstrahlen (12, 13) auf der Oberfläche der Probe (10) interferieren, wobei das Strahlteilerelement (4) als ein Pentaprismenstrahlteiler ausgebildet ist und in dem Strahlteilerelement (4) mindestens eine Reflexion des Teilstrahls (12, 13), der den längeren Weg zurücklegt, erfolgt.