DE19630607C1 - Laser beam energy or its distribution monitoring device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen der Ener gie und/oder Energiedichte eines Laserstrahls, der durch ein Fenster einer Kammer auf ein Substrat gerichtet wird und aus dem ein Strahlanteil durch ein teilreflektierendes, in bezug auf die optische Achse des durchtretenden Bearbeitungslaserstrahls schrägge stelltes optisches Element durch Reflexion ausgekoppelt und auf einen Energiedetektor gelenkt wird. Eine solche Vorrichtung ist aus dem US-Patent 5,483,037 bekannt. Dort ist außerhalb der Kam mer, getrennt vom Kammerfenster, ein teilreflektierender Spiegel vorgesehen, um einen Strahlteil auf einen Energiedetektor zu lenken.The invention relates to a device for monitoring the energy gie and / or energy density of a laser beam through a Window of a chamber is directed onto a substrate and from which a beam component by a partially reflective, with respect to the optical axis of the passing processing laser beam at an angle posed optical element uncoupled by reflection and on an energy detector is controlled. One such device is known from U.S. Patent 5,483,037. There is the Kam outside separate from the chamber window, a partially reflecting mirror provided to direct a beam portion towards an energy detector to steer.
Excimerlaser finden Verwendung in einer Vielzahl von industriel len Herstellungsverfahren. Bei derartigen Verfahren wird die Strahlung nach Formung mittels optischer Einrichtungen auf ein Substrat gerichtet, um chemische und/oder physikalische Änderun gen des Substrates herbeizuführen. Dabei ist das Substrat bei einer Reihe von Anwendungsfällen in einer Kammer angeordnet und die Laserstrahlung wird von außen durch ein Fenster in die Kam mer auf das Substrat gerichtet. Beispielsweise kann in der Kam mer ein Vakuum herrschen. So werden zum Beispiel Excimerlaser verwendet, um amorphe Siliziumschichten, die auf Glassubstrate aufgebracht sind, auszuheilen ("annealing"). Hierfür wird der vom Excimerlaser abgegebene Strahl mittels optischer Einrichtun gen zu einer schmalen Linie geformt. Die Bestrahlung des Sub strates (bzw. gleichzeitig mehrerer Substrate) erfolgt durch ein Quarzfenster, das die Vakuumkammer von der äußeren Atmosphäre trennt. Excimer lasers are used in a variety of industries len manufacturing process. In such procedures, the Radiation after formation by means of optical devices Substrate directed to chemical and / or physical changes to bring about the substrate. The substrate is a number of use cases arranged in a chamber and the laser radiation is from outside through a window into the chamber always aimed at the substrate. For example, in the Kam there is always a vacuum. For example, excimer lasers used to make amorphous silicon layers on glass substrates are annoyed. For this the beam emitted by the excimer laser by means of optical devices formed into a narrow line. Irradiation of the Sub strates (or several substrates at the same time) is made by a Quartz window that separates the vacuum chamber from the outside atmosphere separates.
Bei einer Vielzahl von Prozessen der eingangs genannten Art ist es erforderlich, die Energie und/oder die Energiedichte des auf das Substrat gerichteten Strahls während des Prozesses zu über wachen.In a large number of processes of the type mentioned at the outset it required the energy and / or the energy density of the over the substrate directed beam during the process watch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Überwachen der Energie und/oder Energiedichte eines Laser strahls, der durch ein Fenster einer Kammer auf ein Substrat gerichtet wird, bereitzustellen, die mit wenig apparativem Auf wand eine zuverlässige Energiemessung ermöglicht.The invention has for its object a device for Monitoring the energy and / or energy density of a laser beam through a window of a chamber onto a substrate Is directed to provide that with little equipment reliable energy measurement.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Fen ster der Kammer zur Auskopplung des Strahlanteils in bezug auf die optische Achse des durch das Fenster durchtretenden Bearbeitungslaserstrahls schräggestellt ist, also einen von 90° verschiedenen Winkel mit der optischen Achse bil det. Der auf den Detektor gelenkte Strahlanteil des Laser strahls wird somit am Fenster reflektiert.According to the invention this object is achieved in that the fen ster of the chamber for coupling out the beam portion with respect to the optical axis of the Window passing through processing laser beam is inclined, that is an angle other than 90 ° with the optical axis bil det. The beam portion of the laser directed onto the detector beam is thus reflected on the window.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß durch ein Fenster, zum Beispiel einer Vakuumkammer, durchtretendes Licht an einer nicht antireflektierend beschichteten Fensterfläche sowieso teilweise reflektiert wird. Für Laserlicht der Wellen länge 308 nm und ein Fenster aus Quarz wird zum Beispiel an ei ner unbeschichteten Fensterfläche ca. 4% der auftreffenden Strahlung reflektiert. Im Stand der Technik tritt der Laser strahl senkrecht zur Fensterebene durch das Fenster. Soll ein Strahlanteil aus dem Strahlengang ausgekoppelt und zu einem De tektor gelenkt werden, so sind im Stand der Technik hierfür be sondere Mittel, wie zum Beispiel teildurchlässige Spiegel oder dergleichen, erforderlich. Der Erfindung liegt der Gedanke zu grunde, daß die Auskopplung des zum Detektor gerichteten Strahl anteils in einfacher Weise dadurch möglich ist, daß das Fenster in Bezug auf die optische Achse des durchtretenden Laserstrahls schräggestellt wird und so in einfacher Weise ein Strahlanteil für die Messung der Energie ausgekoppelt werden kann. Der Be griff "Schrägstellung" zwischen Fenster und Strahlachse beinhal tet hier nur die Relation zwischen beiden (Fenster und Strahl achse). Es kann auch der Laserstrahl so auf das Fenster gerich tet werden, daß die Laserstrahlachse schräg zur Fensterebene steht, d. h. die Strahlachse nicht senkrecht (normal) auf der Fensterebene steht.The invention makes use of the knowledge that through a Light passing through windows, for example a vacuum chamber on a non-reflective coated window surface is partially reflected anyway. For laser light from the waves length 308 nm and a window made of quartz is for example attached to an egg ner uncoated window area approx. 4% of the incident Radiation reflected. In the prior art, the laser occurs beam through the window perpendicular to the window plane. Should a Beam portion extracted from the beam path and a De tector are steered, so be in the prior art for this special means, such as semitransparent mirrors or the like, required. The idea lies with the invention reason that the coupling of the beam directed to the detector portion is possible in a simple manner that the window with respect to the optical axis of the laser beam passing through is slanted and so a beam portion in a simple manner can be coupled out for the measurement of the energy. The Be handle "inclination" between window and beam axis included here only the relation between the two (window and beam axis). The laser beam can also be directed onto the window in this way be tet that the laser beam axis obliquely to the window plane stands, d. H. the beam axis is not perpendicular (normal) on the Window level stands.
Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen der Laserstrahlachse und der Fensterebene 1° bis 15°.The angle between the laser beam axis and is preferably the window level 1 ° to 15 °.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die in Bezug auf die Kammer außenseitige Oberfläche des Fen sters antireflektierend beschichtet ist und die innerseitige Oberfläche des Fensters nicht. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat den Vorteil, daß aufgrund der antireflektierenden Beschich tung der Außenseite des Fensters hier nur geringe Strahlungsver luste auftreten, während auf der Innenseite des Fensters der zum Detektor gerichtete Strahlanteil ausgekoppelt wird. Die Innen seite des Fensters muß bei einer Vielzahl von Anwendungen häufig gereinigt werden. Eine antireflektierende Beschichtung stünde einer einfachen Reinigung entgegen.Another preferred embodiment of the invention provides that the outside surface of the fen with respect to the chamber sters is coated with an anti-reflective coating and the inside Surface of the window is not. This embodiment of the invention has the advantage that due to the anti-reflective coating tion of the outside of the window here only low radiation Lusts occur while on the inside of the window Detector directed beam portion is coupled out. The inside side of the window must be common in a variety of applications getting cleaned. An anti-reflective coating would stand against simple cleaning.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Detektor zumindest annähernd in der Bildebene einer den Laserstrahl auf das Substrat abbildenden Optik angeordnet ist.According to a further preferred embodiment, that the detector at least approximately in the image plane Laser beam is arranged on the substrate imaging optics.
Bei bestimmten Anwendungen wird der im Querschnitt rechteckige Ausgangsstrahl eines Excimerlasers mittels optischer Systeme in die Form einer scharfen Linie gebracht. Im Stand der Technik werden hierfür u. a. anamorphotische Abbildungsoptiken verwendet. Das Fenster kann dann so in den Strahlengang (schräg zur opti schen Achse) gestellt werden, daß auch der ausgekoppelte Strahl teil Linienform hat. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dann der Detektor in seiner wirksamen, die Ener giedichte messenden Fläche, ebenfalls langgestreckt (linienför mig), so daß die Energiedichte der Strahlung über die Länge der Linie gemessen werden kann, beispielsweise durch Einsatz geziel ter Blenden an mehreren Orten entlang der Längserstreckung des ausgekoppelten, linienförmigen Strahlteils. Dabei hat der Detek tor bevorzugt die langgestreckte Form eines sogenannten Detek tor-Arrays. Dies erlaubt die Messung von Energiedichten an ver schiedenen Stellen des Strahls. Die Gesamtenergie ist integral (über den gesamten Strahlquerschnitt) ebenfalls meßbar.In certain applications, the cross section becomes rectangular Output beam of an excimer laser using optical systems in brought the shape of a sharp line. In the state of the art are u. a. anamorphic imaging optics used. The window can then enter the beam path (at an angle to the opti rule) that the decoupled beam partly has a line shape. According to a preferred embodiment of the Invention is then the effective detector, the Ener gdight measuring surface, also elongated (line-shaped mig), so that the energy density of the radiation over the length of the Line can be measured, for example by using targeted the diaphragms in several places along the length of the decoupled, linear beam part. The detec gate prefers the elongated form of a so-called detector gate arrays. This allows the measurement of energy densities on ver different places of the beam. The total energy is integral (across the entire beam cross-section) also measurable.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß ein vom Laserstrahl ausgeleuchteter Spalt so durch das Fen ster auf das Substrat abgebildet wird, daß die lange Achse des Strahlquerschnittes in der Ebene des schräggestellten Fensters liegt.Another preferred embodiment of the invention provides that a gap illuminated by the laser beam through the fen ster is mapped onto the substrate that the long axis of the Beam cross section in the plane of the slanted window lies.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is described below the drawing explained in more detail.
Die Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Überwachen der Energie und/oder Energiedichte eines Laserstrahls.The figure shows schematically a device for monitoring the Energy and / or energy density of a laser beam.
Der Strahl 10 eines Excimerlasers verläuft in Richtung der in der Figur gezeigten Pfeile. Ein Excimer-Laserstrahl ist üblicher weise rechteckförmig mit einer langen und einer kurzen Quer schnittsachse. In Richtung der langen Querschnittsachse hat der Strahl eine trapezförmige Energiedichteverteilung ("flat top") und in Richtung der kurzen Strahlachse eine Energiedichtevertei lung, die im wesentlichen einer Gauß-Kurve folgt. Die Figur zeigt einen Schnitt durch den Strahlengang in Richtung der kur zen Achse. Homogenisier-Optiken und auch andere Abbildungsopti ken sind in der Figur nicht dargestellt; diese Einrichtungen können wahlweise gemäß dem Stand der Technik verwendet werden. Die Figur zeigt nur die in Bezug auf die Erfindung interessieren den Bauteile. Der Laserstrahl 10 wird durch eine Optik in Form einer Zylinderlinse 12 auf ein zu bearbeitendes Substrat 16 fo kussiert. Die Längsachse der Zylinderlinse 12 steht senkrecht zur Zeichnungsebene. The beam 10 of an excimer laser runs in the direction of the arrows shown in the figure. An excimer laser beam is usually rectangular with a long and a short cross-sectional axis. The beam has a trapezoidal energy density distribution ("flat top") in the direction of the long cross-sectional axis and an energy density distribution in the direction of the short beam axis, which essentially follows a Gaussian curve. The figure shows a section through the beam path in the direction of the short axis. Homogenizing optics and other imaging optics are not shown in the figure; these devices can optionally be used in accordance with the prior art. The figure shows only the components that are of interest in relation to the invention. The laser beam 10 is kissed by an optical system in the form of a cylindrical lens 12 onto a substrate 16 to be processed. The longitudinal axis of the cylindrical lens 12 is perpendicular to the plane of the drawing.
Das Substrat 16 (z. B. eine auszuheilende amorphe Silizium schicht) ist in einer Vakuumkammer angeordnet. In der Figur ist die Wand der Vakuumkammer mit der gestrichelten Linie 22 ange deutet und das Innere der Kammer mit dem Bezugszeichen 24.The substrate 16 (e.g. an amorphous silicon layer to be healed) is arranged in a vacuum chamber. In the figure, the wall of the vacuum chamber is indicated by the dashed line 22 and the interior of the chamber by the reference number 24 .
Die in Bezug auf den Innenraum 24 der Vakuumkammer äußere Ober fläche 14a des Fensters 14 ist mit einer antireflektierenden Schicht versehen. Die innere Oberfläche 14b des Fensters 14 hin gegen ist nicht antireflektierend beschichtet. Beim Durchgang durch das Fenster 14 wird deshalb ein Teil (z. B. einige wenige Prozent, z. B. 2 bis 5%) der Strahlung als Strahlteil 20 ausge koppelt und dieser Strahlteil 20 wird zu einem Energiedetektor 18 gerichtet.The outer surface 14 a of the window 14 with respect to the interior 24 of the vacuum chamber is provided with an anti-reflective layer. The inner surface 14 b of the window 14 is coated against non-reflective. When passing through the window 14 , part (eg a few percent, eg 2 to 5%) of the radiation is therefore coupled out as a beam part 20 and this beam part 20 is directed to an energy detector 18 .
In der Figur ist die relative Schrägstellung des Fensters 14 in Bezug auf die Achse A des Laserstrahls übertrieben dargestellt. Der Winkel α, um den die Schrägstellung des Fensters in Bezug auf die Strahlachse von der senkrechten Stellung (90°) abweicht, beträgt wenige Grad, z. B. 2° bis 10°, je nach Positionierung des Detektors 18. Wie die Figur weiter zeigt, ist der Detektor 18 bei diesem Ausführungsbeispiel an einem Ort angebracht, der ei ner Bildebene 16a der abbildenden Optik 12 entspricht. Das Sub strat 16 und der Detektor 18 haben also etwa gleichen Abstand von der inneren Oberfläche 14b des Fensters 14.In the figure, the relative inclination of the window 14 with respect to the axis A of the laser beam is exaggerated. The angle α, by which the inclination of the window with respect to the beam axis deviates from the vertical position (90 °), is a few degrees, e.g. B. 2 ° to 10 °, depending on the positioning of the detector 18th As the figure further shows, the detector 18 is mounted in this embodiment at a location which corresponds to an image plane 16 a of the imaging optics 12 . The sub strate 16 and the detector 18 thus have approximately the same distance from the inner surface 14 b of the window 14 .
Aufgrund der Materialbearbeitung im Raum 24 der Vakuumkammer kann es insbesondere auf der Innenseite des Fensters 14 zu Ver schmutzungen kommen, wodurch sich die auf das Substrat 16 auf treffende Energie des Laserstrahls ändern kann. Diese Änderung ist mit außerhalb der Vakuumkammer angeordneten Einrichtungen kaum zu messen. Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung hingegen können auch die Eigenschaften des Fensters 14 selbst überwacht werden, insbesondere eine Verschmutzung auf der inneren Ober fläche 14b des Fensters, die Einfluß auf den reflektierten Strahlanteil 20 hat. Der Strahl wird unmittelbar vor seinem Auf treffen auf das Substrat 16 überwacht, so daß alle systemati schen Fehlerquellen bei der Strahlüberwachung weitestgehend aus geschlossen sind.Due to the material processing in the space 24 of the vacuum chamber, it can come to dirt in particular on the inside of the window 14 , as a result of which the energy of the laser beam striking the substrate 16 can change. This change can hardly be measured with devices arranged outside the vacuum chamber. With an arrangement according to the invention, however, the properties of the window 14 itself can be monitored, in particular contamination on the inner upper surface 14 b of the window, which has an influence on the reflected beam portion 20 . The beam is monitored immediately before it hits the substrate 16 , so that all systematic sources of error in beam monitoring are largely closed.
In der Figur ist ein Spalt 28 schematisch angedeutet, der vom Laserstrahl ausgeleuchtet und auf das Substrat 16 abgebildet wird. Der langgestreckte Spalt 28 ist wesentlich weiter von der Zylinderlinse 12 entfernt als in der Figur dargestellt ist. Die Längsachse des im Querschnitt linienförmigen Strahls steht senk recht zur Zeichnungsebene, so daß der Strahl beim Auftreffen auf das Fenster 14 dort ebenfalls eine senkrecht zur Zeichnungsebene stehende Linie bildet, die auf den Detektor 18 abgebildet wird. Der Detektor 18 ist deshalb ebenfalls langgestreckt, wobei die Längsachse der wirksamen, langgestreckten Fläche des Detektors 18 ebenfalls senkrecht zur Zeichnungsebene steht. Dies gilt auch für die Ebene des Fensters 14. Mit dieser Geometrie kann die Energiedichteverteilung über die gesamte Länge des linienförmi gen Strahls mit dem Detektor 18 gemessen werden, zum Beispiel dadurch, daß selektiv Blenden, die in der Figur mit dem Bezugs zeichen 26 angeordnet sind, zwischen Fenster 14 und Detektor 18 angeordnet werden, die jeweils einen gewünschten Ausschnitt des linienförmigen Strahls zum Detektor 18 durchlassen.In the figure, a gap 28 is indicated schematically, which is illuminated by the laser beam and imaged on the substrate 16 . The elongated gap 28 is far further away from the cylindrical lens 12 than is shown in the figure. The longitudinal axis of the beam, which is linear in cross section, is perpendicular to the plane of the drawing, so that the beam when it hits window 14 also forms a line perpendicular to the plane of the drawing, which is imaged on detector 18 . The detector 18 is therefore also elongated, the longitudinal axis of the effective, elongated surface of the detector 18 also being perpendicular to the plane of the drawing. This also applies to the plane of the window 14 . With this geometry, the energy density distribution can be across the entire length of the linienförmi gen beam are measured with the detector 18, for example, by selective diaphragms, the sign in the figure with the reference 26 are arranged between the window 14 and detector 18 are disposed, which each pass a desired section of the linear beam to the detector 18 .
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