DE60312406T2

DE60312406T2 - Apparat und Verfahren zur Messung von optischen Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements

Info

Publication number: DE60312406T2
Application number: DE60312406T
Authority: DE
Inventors: Keiji Osaka-shi Fuse
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: CA2416026A1; EP1329703A3; US6937327B2; JP3578144B2; EP1329703B1; EP1329703A2; CA2416026C; JP2003207416A; DE60312406D1; US20030137656A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen optischer Eigenschaften einer Fresnel-Linse, einer Hybridlinse, eines diffraktiven Strahlteilers, etc. (im Nachfolgenden allgemein als diffraktive optische Elemente (DOEs) bezeichnet) mit hoher Genauigkeit, insbesondere im Hinblick auf den Beugungswirkungsgrad bei einer Laserstrahlenbeugung und der Intensitätsgleichförmigkeit von geteilten Strahlen.
2. Beschreibung des Stand der Technik
Bei der Entwicklung von in Laserbearbeitungssystemen verwendeten DOEs zur Ausführung von beispielsweise Mehrpunktsimultanbohrungen, ist es notwendig, die optischen Eigenschaften, wie beispielsweise den Beugungswirkungsgrad und die Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen der DOEs, welche die Leistung der Bearbeitungssysteme beeinflussen, präzise zu beurteilen. Ein bekanntes Verfahren zur Überprüfung der optischen Eigenschaften wird im Nachfolgenden mit Bezug auf die 9 beschrieben.
Ein Laserstrahl mit einer Leistung von P_in trifft auf ein DOE 18, das ein Probestück bildet, und wird in mehrere Strahlen geteilt ( sieben Strahlen in der 9). Die geteilten Strahlen konvergieren mithilfe einer Linse 19 an entsprechenden Stellen auf einer Bildebene. Der Beugungswirkungsgrad ist als das Verhältnis der Summe der Leistung P_k eines jeden geteilten Strahls zu der Einfallsleistung P_in definiert. Der Beugungswirkungsgrad repräsentiert den Wirkungsgrad der Energieauslastung bei der Verwendung des DOE 18. Normalerweise beträgt das Verhältnis 0,6 bis 0,9 (d. h., der Beugungswirkungsgrad beträgt 60% bis 90%) und der Rest 1 – η gibt den Verlust an, der in Form von Rauschen an die Umwelt abgegeben wird. Die Gleichförmigkeit der Leistung P_k der geteilten Strahlen wird durch die Standardabweichung σ oder die Höchst-/Mindestreichweite R ausgedrückt. Gleichungen zur Berechnung des Beugungswirkungsgrades η, der Standardabweichung σ, und der Höchst-/Mindestreichweite R sind in der 9 gezeigt. In den Gleichungen bezeichnet Ns die Anzahl der Strahlen, in die der Laserstrahl aufgeteilt wird (im Nachfolgenden als Teilungszahl bezeichnet), und P_k den Durchschnittswert von P_k.
Gemäß der zuvor beschrieben Definitionen, können der Beugungswirkungsgrad und die Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen berechnet werden, wenn die Leistung P_in des einfallenden Laserstrahls mit einem Leistungsmessgerät und die Leistung P_k eines jeden geteilten Strahls an jedem Brennpunkt, an dem eine Lochblende mit einer geeigneten Größe justiert ist, gemessen werden.
Das zuvor beschriebene Überprüfungsverfahren weist jedoch hinsichtlich der Messgenauigkeit folgende Probleme auf:

(a) die Messgenauigkeit hängt von der Genauigkeit der Leistungsmessgeräte ab. Um den Beugungswirkungsgrad mit hoher Genauigkeit zu messen, müssen die Leistung P_in des einfallenden Laserstrahles und die Leistung P_k eines geteilten Strahls mit hoher absoluter Genauigkeit gemessen werden. Wenn beispielsweise die Teilungszahl des Laserstrahls groß ist, in etwa mehr als 100, dann ist P_k um zwei Größenordnungen oder mehr kleiner als P_in. Deshalb ist die absolute Genauigkeit des Leistungsmessgerätes äußerst wichtig. Zusätzlich ist die Wiederholungsgenauigkeit für die Messung der Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen wichtig. Die absolute Genauigkeit herkömmlicher Leistungsmessgeräte beträgt jedoch üblicherweise ± 3% bis ± 5% und sind somit nicht ausreichend genau.
(b) Die Leistungsstabilität des Laserstrahls beeinflusst die Messgenauigkeit sehr stark. Wenn die Laserleistung nicht stabil ist, verändern sich die Messwerte von P_in und P_k und die Messgenauigkeit sinkt. Die Leistungsstabilität herkömmlicher Kohlendioxidlaser beträgt üblicherweise ± 5% bis ± 10% und sind somit ebenfalls nicht ausreichend genau.
(c) Die Größe der Lochblende, die von den geteilten Strahlen durchlaufen werden kann, beeinflusst die Messergebnisse. Zur genauen Messung der Leistung P_k eines jeden geteilten Strahls, muss die Lochblendengröße optimiert werden. Da sich jedoch die Intensitätsverteilung stark ausbreitet, wobei diese an jedem Punkt Seitenbereiche mit niedriger Intensität aufweist, ist es äußerst schwierig, die Lochblendengröße zu bestimmen. Wenn die Lochblendengröße zu klein ist, ist es nicht möglich, genug Leistung zu erfassen, und P_k wird kleiner als der eigentliche Wert sein, und wenn die Lochblendengröße zu groß ist, werden das Umgebungsrauschen und die Leistung der benachbarten geteilten Strahlen erfasst, und P_k wird größer als der eigentliche Wert sein. Somit ändern sich die Messergebnisse in Übereinstimmung mit der Lochblendengröße, wodurch es nicht möglich ist, eine ausreichend hohe Zuverlässigkeit zu erzielen.
(d) Die Qualität des Laserstrahls beeinflusst die Messgenauigkeit sehr stark. Wenn sich die Größe der Brennpunkte aufgrund der transversalen Wellenfunktionscharakteristiken und der Wellenfrontaberration des Laserstrahls vergrößert und die Form der Brennpunkte verzerrt ist, wird es zunehmend schwieriger, die Lochblendengröße zu bestimmen.
(e) Die Charakteristiken einer Linse in dem Messsystem beeinflussen die Messgenauigkeit sehr stark. Die Leistung P_k eines jeden geteilten Strahls wird von der Durchlässigkeit der verwendeten Linse beeinflusst. Wenn der Durchlässigkeitsgrad sinkt, sinkt demnach auch der gemessene Beugungswirkungsgrad. Zusätzlich verzerrt die Abberation der Linse auch die Brennpunkte, auf ähnliche Weise, wie es bei der Laserqualität der Fall ist. Da die nicht auf der Achse liegenden Abberationen von dem Einfallswinkel des Strahls auf die Linse abhängen, sinkt der Wert von P_k, während die Teilungszahl und auch der Einfallswinkel entsprechend ansteigen.

Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Messen optischer Eigenschaften eines DOE bereitzustellen, welche die zuvor beschriebenen Probleme löst, um eine Messung mit hoher Genauigkeit durchführen zu können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Messen optischer Eigenschaften einer DOE eine Laserquelle zur Aussendung eines Laserstrahls; eine Strahlteilervorrichtung zur Teilung des Laserstrahls in einen Hauptstrahl und einen Referenzstrahl; eine erste Messvorrichtung zum Messen der Leistung oder der Energie des Referenzstrahls; ein DOE (Probestück), das den Hauptstrahl in mehrere Teilstrahlen teilt; eine Maske, die von einem der Teilstrahlen durchlaufen werden kann, eine Vorrichtung zum Bewegen der Maske, um die Maske entlang von mindestens zwei axialen Richtungen in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse zu bewegen; eine zweite Messvorrichtung zum Messen der Leistung oder der Energie des geteilten Strahls, der die Maske durchlaufen hat; und eine Rechenvorrichtung zum Berechnen des Verhältnisses der Leistung oder der Energie, die von der ersten Messvorrichtung gemessen wurde, zu der Leistung oder der Energie, die von der zweiten Messvorrichtung gemessen wurde.
Die Messvorrichtung kann des weiteren eine Sammellinse umfassen, die auf der Rückseite des DOE (Probestück) angeordnet ist. Gemäß dem DOE, kann das DOE (Probestück) an dem vorderen Brennpunkt der Sammellinse angeordnet sein. Die Sammellinse kann deshalb beispielsweise eine fsinθ oder eine einzelne Linse umfassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die optischen Eigenschaften der DOE (Probestück) unter Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung anhand der folgenden zwei Schritte gemessen:
Erster Schritt: Ein Leistungsverhältnis α = q₁/Q wird berechnet ohne das DOE anzuordnen. Q ist die Leistung des einfallenden Laserstrahls und wird von der ersten Messvorrichtung gemessen, und q₁ ist die Leistung des Lichts, das die Maske durchlaufen hat, und wird von der zweiten Messvorrichtung gemessen.
Zweiter Schritt: Das DOE wird eingerichtet, und ein Leistungsverhältnis β_k = q_k/Q wird für jeden geteilten Strahl berechnet. q_k ist die Leistung eines jeden geteilten Strahls, der durch das DOE geteilt wurde.
Die Intensität eines jeden geteilten Strahls, der Beugungswirkungsgrad des DOE, und die Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen werden auf der Grundlage der Leistungsverhältnisse α und β_k berechnet.
In dem ersten und dem zweiten Schritt wird das Verhältnis der Energie des einfallenden Laserstrahls zu der des Lichts, das die Maske durchlaufen hat, durch Messen derselben anstatt durch Berechnen des Leistungsverhältnisses erzielt.
Die Verwendung einer Sammellinse ist je nach DOE (Probestück) nicht zwingend notwendig. In dem Fall, bei dem keine Sammellinse verwendet wird, wird eine Referenzlinse mit der gleichen Brennweite als die des DOE anstelle des DOE verwendet und die Leistung und die Energie des durch die Referenzlinse geteilten Lichts kann von der zweiten Messvorrichtung gemessen werden.
Weilweise können die optischen Eigenschaften des DOE (Probestück) auch durch die folgenden Schritte gemessen werden:
Erster Schritt: Ein Reflektionsspiegel wird vor der Sammellinse anstelle des Probestücks angeordnet. Während der Änderung des Laserstrahleinfallswinkels θ, der auf die Sammellinse trifft, mithilfe des Reflektionsspiegels, wird die Abhängigkeit α(θ) = q₁/Q des Leistungsverhältnisses des Einfallswinkels θ des Laserstrahls gemessen, wobei Q die von der ersten Messvorrichtung gemessene Leitung und q₁ die von der zweiten Messvorrichtung gemessene Leistung ist, und ein Korrekturfaktor γ(θ) = α(θ)/α(0) durch Normalisieren der bestimmten Abhängigkeit α(θ) mit α(0) erhalten;
Zweiter Schritt: Das Berechnen des Leistungsverhältnisses α = q₁/Q erfolgt, wenn das Probestück nicht eingerichtet ist oder eine Referenzlinse, welche die gleiche Brennweite die des Probestücks aufweist, anstelle des Probestücks angeordnet ist.
Dritter Schritt: Das Probestück wird eingerichtet und das Leistungsverhältnis β_k = q_k/Q wird mit eingerichtetem Probestück für jeden geteilten Strahl gemessen, wobei q_k die Leistung jedes durch die zweite Messvorrichtung gemessenen geteilten Strahls ist. Dann wird das Leistungsverhältnis β_k durch den Korrekturfaktor γ(θ), der dem Diffraktionswinkel θ_k eines jeden geteilten Strahls entspricht, dividiert, um ein korrigiertes Leistungsverhältnis β_k' = β_k/γ(θ_k) zu erhalten.
Die Intensität eines jeden geteilten Strahls, der Beugungswirkungsgrad des DOE, und die Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen werden auf der Grundlage der Leistungsverhältnisse α und β_k' berechnet.
Wie zuvor beschrieben, wird das Leistungsverhältnis α der Messvorrichtung und des Messverfahrens der vorliegenden Erfindung, das einen dem Messsystem inhärenten Wert darstellt, als Referenzwert bestimmt und das Leistungsverhältnis β_k oder β_k'. mithilfe des eingerichteten DOE auf der Grundlage des Leistungsverhältnisses α bestimmt. Dem gemäß können die wichtigsten optischen Eigenschaften des DOE (Probestück), d. h. der Beugungswirkungsgrad und die Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen, und die Positionierungsgenauigkeit der Brennpunkte, mit hoher Genauigkeit gemessen werden, da die Messgenauigkeit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kaum von den Genauigkeiten der Leistungsmessgeräte, der Laserstabilität, der Lochblendengröße, der Qualität des Lasers, und der in dem Messsystem verwendeten Charakteristiken der Linse beeinflusst wird.
Durch Einrichten einer Sammellinse können auch die optischen Eigenschaften der DOE's, die keine Strahlen auf eine geeignete Größe und an einer geeigneten Position konvergieren lassen, berechnet werden.
Zusätzlich konvergiert in einer Vorrichtung, in der das DOE an dem vorderen Brennpunkt einer Sammellinse angeordnet ist, jeder geteilte Strahl von dem DOE mithilfe einer Linse, selbst jene, die einen großen Beugungswinkel aufweisen, und jeder geteilte Strahl bestrahlt die Lochblende vertikal, so dass die Leistung eines jeden geteilten Strahls unter stabileren Bedingungen gemessen werden kann, wodurch sich die Messgenauigkeit erhöht.
Zusätzlich werden bei Verwendung der fsinθ-Linse anstelle der Sammellinse, Fehler auf Grund der Linsenabberationen verringert und die Positionierungsgenauigkeit der Brennpunkte verbessert, wodurch die Messgenauigkeit weiter verbessert werden kann.
Des weiteren kann der Einfluss des Einfallswinkels auf die Messwerte mit Hilfe des Korrekturschritts beseitigt werden, selbst wenn die Charakteristiken der Sammellinse von dem Einfallswinkel abhängen, so dass auch in diesem Fall eine Messung mit hoher Genauigkeit durchführbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das das Messprinzip einer Vorrichtung und ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das den Gesamtaufbau der Messvorrichtung zeigt;
3 ist ein Diagramm, das das Prüfungsergebnis der Leistungsverhältnismessgenauigkeit darstellt;
4 ist ein Diagramm, das das Messergebnis und das Simulationsergebnis eines DOE mit einer Teilungszahl von 7 zeigt;
5 ist ein Diagramm, das das Prüfungsergebnis einer Abhängigkeit der Teilstrahlintensität von einer Lochblendengröße zeigt;
6 ist ein Diagramm, das den Aufbau eine Hybridlinse zeigt;
7 ist ein Diagramm, das zeigt, in welcher Weise ein Fresnel-DOE einen Laserstrahl teilt und die geteilten Strahlen konvergieren;
8 ist ein Diagramm, das zeigt, in welcher Weise die optischen Eigenschaften der Fresnel-DOE gemessen werden;
9 ist ein Diagramm, das ein bekanntes Überprüfungsverfahren zeigt; und
10 ist ein Diagramm, das zeigt, in welcher Weise die optischen Eigenschaften der Hybrid-Linse gemessen werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 ist ein Diagramm, das das Messprinzip eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In dem Fall, bei dem ein DOE (Probestück) 18 Strahlen auf eine nicht geeignete Größe an einer geeigneten Position konvergiert, beispielsweise wenn das DOE 18 ein Fourier-DOE (dessen Brennweite unendlich groß ist), ein Fresnel-DOE mit einer negativen Brennweite, oder ein Fresnel-DOE mit einer positiven jedoch nicht langen Brennweite umfasst, wird eine Sammellinse 9 benötigt. Wenn das DOE 18 jedoch ein Fresnel-DOE mit einer ausreichenden positiven Brennweite ist, kann die Sammellinse 9 weggelassen werden. Obwohl die in der Figur gezeigte Linse 9 eine fsinθ-Linse mit mehreren Linsenelementen umfasst, ist es auch möglich, ein einzelnes Linsenelement zu verwenden.
Wie in der Figur gezeigt, ist eine Vorrichtung so aufgebaut, dass ein Teil eines von einer Laserquelle ausgesandten Laserstrahls durch eine Strahlteilervorrichtung 5 geteilt wird, wie beispielsweise durch einen Strahlteiler oder eine Strahlenannahmevorrichtung, und die Leistung Q von diesem durch einen ersten Detektor 6 gemessen wird. Die Vorrichtung ist so angeordnet, dass ein Lichtstrahl, der durch eine in einer Maske 10 ausgebildeten Lochblende (deren Durchmesser beispielsweise 50 bis 200 umΦ beträgt) auf das DOE 18 trifft, in mehrere Strahlen geteilt und die Leistung q_k eines jeden geteilten Strahls von dem Leistungsmessgerät eines zweiten Detektors 12 gemessen wird.
Die Maske 10 kann sich gemeinsam mit einem wassergekühlten Dämpfer 11 in mindestens zwei axiale Richtungen in einer Ebene senkrecht zu seiner optischen Achse bewegen, so dass die Leistung q_k eines jeden geteilten Strahls individuell durch das Leistungsmessgerät des zweiten Detektors 12 erfasst werden kann.
In einem ersten Schritt wird die Messung ohne dem DOE 18 ausgeführt, und das Verhältnis α zwischen der von dem ersten Detektor 6 gemessenen Leistung Q und der Leistung q₁ des Lichts, das die Lochblende in der Maske 10 durchlaufen hat und von dem zweiten Detektor 12 gemessen wird, wird aus α = q₁/Q berechnet.
Dann wird das DOE 18 in einem zweiten Schritt eingerichtet und das Verhältnis der Leistung q_k eines jeden geteilten Strahls zu der Leistung Q wird aus β_k = q_k/Q berechnet.
Bei Verwendung einer Sammellinse 9 ist das DOE 18 vorzugsweise an dem vorderen Brennpunkt der Sammellinse 9 anzuordnen. In diesem Fall ist das System auf der Bildseite telezentrisch, und die Leistung eines jeden geteilten Strahls ist unter stabilen Bedingungen messbar, da die konvergierten Strahlen die Lochblende vertikal durchlaufen, selbst wenn die geteilten Strahlen mit einem großen Beugungswinkel aus dem DOE 18 auf die Sammellinse 9 auftreffen.
Sind die Leistungsverhältnisse α und β_k berechnet, wird die Intensität eines jeden geteilten Strahls und der Beugungswirkungsgrad sowie die Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen des DOE 18 wie folgt berechnet: PK = βK/α (1)
Das zuvor beschriebene Messverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzleistungsverhältnis α in einem ersten Schritt bestimmt wird. Obwohl dem Wert des Leistungsverhältnisses α selbst keine Bedeutung zukommt, kann dieser als intrinsischer Wert des Messsystems angenommen werden, der bis auf das DOE 18 die Charakteristiken aller Komponenten einschließlich des Lasers, des Strahlteilers, der Linsen, der Lochblende, und der Detektoren repräsentiert. Insbesondere wird das mit eingerichtetem DOE 18 erzielte Leistungsverhältnis β_k auf der Grundlage des Leistungsverhältnisses α ermittelt, das einen dem Messsystem inhärenten Wert darstellt, so dass Fehlerfaktoren bestmöglichst beseitigt und nur die Eigenschaften des DOE 18 ermittelt werden können.
Durch Anwendung des zuvor erwähnten Messverfahrens können die unter den Punkten (a) bis (e) beschriebenen Probleme wie folgt gelöst oder verringert werden:

(a) Genauigkeit der Leistungsmessgeräte: Da das Leistungsverhältnis gemessen wird, ist es nicht notwendig, dass die absolute Genauigkeit der Leistungsmessgeräte hoch ist (die Wiederholungsgenauigkeit und die Linearität beeinflussen die Messgenauigkeit). Ist die Teilungszahl groß, beispielsweise über 100, kann der durch die Detektoren gemessene Leistungsbereich verringert werden, indem die Leistung der Laservorrichtung in einem ersten Schritt auf einen niedrigen Wert und in einem zweiten Schritt auf einen hohen Wert eingestellt wird. Dem gemäß würde der Linearitätsfehler der Leistungsmessgeräte kein großes Problem darstellen.
(b) Stabilität der Laserleistung: Selbst wenn die Laserleistung nicht stabil ist, ändert sich das gemessene Leistungsverhältnis theoretisch nicht, so dass die Messgenauigkeit nicht abnimmt. Nur in dem Fall, bei dem sich die Laserleistung schneller als die Antwortgeschwindigkeit des Leistungsmessgerätes ändert, nimmt die Messgenauigkeit voraussichtlich ab.
(c) Lochblendengröße: Selbst wenn sich die Lochblendengröße verändert, nehmen die Leistungsverhältnisse α und β_k in einem konstanten Maß zu/ab, wodurch das Messergebnis kaum beeinflusst wird. Die Lochblendengröße kann in einem derartigen Maß erhöht werden, dass das Rauschen und die benachbarten geteilten Strahlen nicht eindringen können, und wahlweise kann die Größe auf eine kleinere Größe als die des Brennpunktes reduziert werden.
(d) Qualität des Lasers: Selbst wenn sich die Größe und die Form der Brennpunkte von jenen auf Grund der Laserwellenfunktion und der Wellenfrontaberration zu erwartenden unterscheiden, beeinflussen diese das Messergebnis auf Grund der zuvor beschriebenen Gründe nur in geringem Maße.
(e) Linsencharakteristiken: Selbst wenn die Durchlässigkeit der in dem Messsystem verwendeten Linse niedrig ist, sind deren Auswirkungen sowohl in dem Leistungsverhältnis α als auch in dem Leistungsverhältnis β_k enthalten, so dass das Messergebnis nicht beeinflusst ist. Obwohl die Verzerrung der Brennpunkte auf Grund von Abberationen auf der Achse kein Problem darstellt, sind Gegenmaßnahmen bei Auftreten von Aberrationen jenseits der Achse notwendig, d. h. die Abhängigkeit von dem Einfallswinkel. In diesem Fall wird zuerst die Abhängigkeit von dem Einfallswinkel gemessen und β_k unter Verwendung des gemessenen Wertes als Korrekturwert korrigiert. Insbesondere wird ein reflektierender Spiegel anstelle des DOE vor der Sammellinse angeordnet und die Abhängigkeit α(θ) = q₁/Q des Leistungsverhältnisses von dem Einfallswinkel gemessen, während der Winkel θ des Laserstrahls verändert wird, der durch Verwendung des Reflektionsspiegels auf die Sammellinse auftrifft. Die Abhängigkeit des Leistungsverhältnisses von dem Einfallswinkel wird zur Erzielung des Korrekturfaktors γ(0) = α(θ)/α(0) mithilfe des Leistungsverhältnisses α(0), das entspricht θ = 0°, normalisiert. Dann wird das mit eingerichtetem DOE erzielte Leistungsverhältnis eines jeden geteilten Strahls β_k = q_k/Q zur Erzielung des korrigierten Leistungsverhältnisses β_k'= β_k/γ(θ_k) durch den Korrekturfaktor γ(θ_k) entsprechend dem Beugungswinkel θ_k eines jeden geteilten Strahls dividiert.

Ein ähnliche Korrektur ist auch in dem Fall möglich, bei dem die Durchlässigkeit von dem Einfallswinkel abhängt. Durch Verwendung der fsinθ-Linse, die für große Einfallswinkel entworfen und gefertigt ist, werden die Aberrationen der Strahlen mit großem Beugungswinkel ebenso korrigiert, so dass kein Aberrationsproblem auftritt. Eine derartige fsinθ-Linse kann die Positionierungsgenauigkeit der Brennpunkte verbessern und stellt eine ideale Linse dar.
Die 2 ist ein Diagramm, dass den Gesamtaufbau der Messvorrichtung darstellt. Mit Bezug auf die Figur, umfasst die Messvorrichtung eine CO₂-Laserquelle 1 umfassend eine Leistungsquelle, einen Verschluss 2 zum Umschalten des Führungslichts, ein Bedienungsfeld 3 für die CO₂-Laserquelle 1 und den Verschluss 2, einen Spiegelbehälter 4 zur Änderung der Laserstrahlrichtung, eine Strahlteilervorrichtung (Strahlenannahmevorrichtung) 5, den ersten Detektor 6, eine Zoomerweiterungsvorrichtung 7, zwei gebogene Spiegel 8, das DOE 18, die Sammellinse 9 (fsinθ-Linse, wie in der Figur gezeigt), die Maske 10 mit der Lochblende, den wassergekühlten Dämpfer 11, auf dem die Maske 10 befestigt ist, den zweiten Detektor 12, einen dreiachsigen automatisch steuerbaren Verfahrtisch 13 zum Bewegen des zweiten Detektors 12, des Dämpfers 11, und der Maske 10, eine Steuerung 14 für den dreiachsigen automatisch steuerbaren Verfahrtisch 13, eine Anzeigevorrichtung 15 für die gemessene Leistung, und einen Personalrechner 17 mit einer Interfaceplatine 16.
In der 2 wird ein Laserstrahl aus der CO₂-Laserquelle 1 ausgesendet, tritt in eine Probestückkammer 30 ein, und wird durch die Strahlenannahmevorrichtung 5 in einen Hauptstrahl und einen Referenzstrahl geteilt. Die Leistung des Referenzstrahls wird von dem ersten Detektor 6 gemessen. Der Hauptstrahl durchläuft die Zoomerweiterungsvorrichtung 7, in der der Durchmesser des Hauptstrahls vergrößert wird, wird durch die gebogenen Spiegel 8 reflektiert, und trifft auf das DOE 18. Dann konvergieren die geteilten Strahlen mithilfe der Sammellinse 9 (dies kann auch eine einzelne Linse sein). Die Maske 10 wird durch den dreiachsigen automatisch steuerbaren Verfahrtisch bewegt, und die Leistung eines jeden geteilten Strahls, der die Lochblende in der Maske 10 durchlaufen hat, von dem zweiten Detektor 12 gemessen. Der automatisch steuerbare Verfahrtisch 13 und das Leistungsmessgerät des zweiten Detektors 12 sind durch den Personalrechner 17 steuerbar, und der gesamte Messvorgang einschließlich der Verfahrtischbewegung und der Leistungsmessung kann automatisch ausgeführt werden.
Bei der automatischen Messung wird, wie nachfolgend beschrieben, auch eine automatische Einstellung der Lochblende durchgeführt.
Sind die Koordinaten der Brennpunkte der geteilten Strahlen auf der zu messenden Bildebene bestimmt, wird die Lochblende bei der automatischen Messung in einem vorbestimmten auf den ermittelten Koordinaten liegenden Bereich in die vertikal und die horizontal Richtung um eine bestimmte Strecke (beispielsweise 10 μm) verschoben und an jeder Position das Leistungsverhältnis gemessen. Dann wird die Maske, an der Position mit dem größten Leistungsverhältnis, entlang der optischen Achse bewegt und die das größte Leistungsverhältnis aufweisende Koordinate entlang der optischen Achse bestimmt. Das Ergebnis wird in Form einer Liste ausgegeben. Dieser Vorgang wird an jedem Brennpunkt der geteilten Strahlen automatisch wiederholt.
Die 3 zeigt die Ergebnisse einer Messung des Leistungsverhältnisses α, die ohne dem DOE ausgeführt wurde, um die Genauigkeit der zuvor beschriebenen Messvorrichtung zu überprüfen. Die Leistung der Laservorrichtung wurde so angepasst, dass sich der Leistungswert des zweiten Detektors 12 in dem Bereich zwischen 0,1 Watt bis 20 Watt veränderte, und α wurde für jeden Leistungswert 10× gemessen. Der Durchschnittswert von α ist in der 3 aufgezeichnet. Es wurden zwei unterschiedliche Detektoren als zweiter Detektor verwendet: Typ A, dessen Messbereich bis zu 30 Watt betrug, und Typ B, dessen Messbereich bis 2 Watt betrug. Durch Änderung des Laserausgabesignals in einem großen Bereich von mehreren 100 Milliwatt bis über 20 Watt, erfolgte eine große Änderung in der Leistung sowie eine Änderung der Messwerte des ersten Detektors und des zweiten Detektors in einem Bereich von ± 10% bis ± 30%. Wie in der 3 gezeigt, blieb jedoch sowohl für den Detektor des Typs A wie auch für den Detektor des Typs B das gemessene Leistungsverhältnis α für alle Leistungswerte beinahe konstant. Der Durchschnitt aller α-Werte, der für jeden Leistungswert 10× gemessen wurde, und die Abweichung (2σ) von diesen Werten betrug α = 191,7 ± 3,7% für den Detektor des Typs A und α = 125,8 ± 3,1% für den Detektor des Typs B. Dem gemäß wurde eine Sollgenauigkeit von weniger als ± 5% erzielt. Der Grund für den Unterschied zwischen dem durch den Detektor des Typs A erzielten α-Wert und dem durch den Detektor des Typs B erzielten α-Wert, liegt darin, dass diese Detektoren unterschiedliche Strukturen aufweisen (die Größe der Lichtempfangsfläche, der Abstand von der Lochblende, etc.). Auf Grund dieses Ergebnisses konnte gezeigt werden, dass die Messgenauigkeit der zuvor beschriebenen Messvorrichtung ausreichend hoch ist.
Im Nachfolgenden wird das Ergebnis einer Messung des Beugungswirkungsgrades und der Intensitätsgleichförmigkeit der geteilten Strahlen des DOE, die unter Verwendung der in der 2 gezeigten Messvorrichtung ausgeführt wurde, beschrieben.
Zunächst wird das Messergebnis eines DOE mit Binärebene und einer Teilungszahl von 7 beschrieben. In diesem Fall wurde ein asphärische Meniskuslinse mit einer Brennweite von 5 Inch (127 mm) und einem Durchmesser von 2 Inch (50,8 mmΦ) verwendet. Der Abstand der Brennpunkte betrug 0,5 mm. Weitere Bedingungen wurden so eingestellt, dass die Vergrößerung der Zoomerweiterungsvorrichtung 2 und der Lochblendendurchmesser 280 μmΦ betrug, und der Detektor des Typs A als der zweite Detektor 12 verwendet wurde. Die 4 zeigt das Ergebnis der fünf Messungen und die Ergebnisse der Analyse (das Simulationsergebnis über den Einfluss des Linienstärkefehlers und des Ätztiefefehlers, die bei der Mikroherstellung des DOE auftraten). Die Intensitäten der siebengeteilten Strahlen sind in einem Balkendiagramm, das in der 4 gezeigt ist, aufgezeichnet. Wie aus der 4 ersichtlich, sind die aus den fünf Messungen erzielten Werte beinahe konstant und das Verteilungsmuster der gemessenen Werte ist ähnlich zu dem der Analysewerte. Insbesondere konnte durch die Messergebnisse bestätigt werden, dass aufgrund des Linienstärkefehlers die Intensität des geteilten Strahls nullter Ordnung in der Mitte niedriger ist als die Intensitäten der anderen geteilten Strahlen, wie durch die Simulation gezeigt. Der Analysewert des Beugungswirkungsgrades betrug 74,3% und das Messergebnis von diesem 72,7% ± 0,3%. Außerdem betrug der Analysewert der Intensitätsgleichförmigkeit (σ) der geteilten Strahlen 1,7% und das Messergebnis 3,0%, woraus ersichtlich ist, dass der Wert des Messergebnisses um einiges größer als der Analysewert ist.
Zusätzlich wurden die Messungen für ein DOE mit 16 Ebenen und einer Teilungszahl von 7 × 7 = 49 unter den selben Bedingungen durchgeführt, wie in dem zuvor beschriebenen Fall, bei dem das DOE mit einer Teilungszahl von 7 verwendet wurde. Auch in diesem Fall war das Verteilungsmuster der Intensitäten der geteilten Strahlen, die durch das Analyseergebnis erzielt wurden (bei dem ein Linienbreitenfehler und ein Ätztiefefehler berücksichtigt wurde) sehr ähnlich zu dem, das durch die Messergebnisse erzielt wurde. Der Analysewert des Beugungswirkungsgrades betrug 88,5% und das Messergebnis 87,8%. Zusätzlich betrug der Analysewert der Intensitätsgleichförmigkeit (σ) der geteilten Strahlen 5,3% und das Messergebnis 8,0%.
Danach wurde die Abhängigkeit der Intensitäten der geteilten Strahlen von der Lochblendengröße untersucht. Die 5 zeigt die Messergebnisse der Intensitäten der geteilten Strahlen mit einem Lochblendendurchmesser von 60 μm, 100 μm, 140 μm, 180 μm, und 280 μm. Wie in der 5 gezeigt, veränderten sich die Messergebnisse selbst bei einer Änderung der Lochblendengröße nicht.
Die 6 zeigt eine Hybridlinse 22, die eine asphärische Oberfläche 20 und eine Mikrostruktur mit gezackter Oberfläche 21 auf der asphärischen Oberfläche aufweist, die entsprechende Brechungs- und Beugungsfunktionen erzeugen. Die Brennweite der Hybridlinse beträgt 127 mm und der Durchmesser 50,8 mm. Zusätzlich umfasst die Hybridlinse Zinkselenid (ZnSe). Der Beugungswirkungsgrad dieser Hybridlinse wurde mit den folgenden Schritten gemessen:

1. Schritt: Eine asphärische Linse 26 (Referenzlinse) mit der gleichen Brennweite (127 mm) wie die Hybridlinse (DOE) wurde in die Messvorrichtung, wie in der 10 gezeigt, eingesetzt, und dann das Referenzleistungsverhältnis α = q₁/Q bestimmt.
2. Schritt: Die Hybridlinse 27 wurde anstelle der asphärischen Linse 26 eingerichtet und dann das Leistungsverhältnis β₁ = q₁/Q bestimmt.

Wie zuvor beschrieben, wurde in diesem Fall keine Sammellinse verwendet. Zusätzlich ist die in diesem Fall verwendete Hybridlinse 27 eine Sammellinse und weist keine Strahlteilerfunktion auf, so dass in dem zweiten Schritt nur das Leistungsverhältnis β₁ bestimmt wird. Obwohl es wünschenswert ist, die Messvorrichtung und das Messverfahren mit Strahlteilungs-DOE's zu verwenden, können sie zum Messen optischer Eigenschaften lichtkonvergierender DOEs (Fresnel-Linsen, Hybrid-Linsen, etc.). verwendet werden, die keine Strahlteilungsfunktion besitzen.
Der Beugungswirkungsgrad η = β₁/α wurde mithilfe der in dem ersten und zweiten Schritt erzielten Ergebnisse berechnet. Für die Probe 1 wurde ein Wert von η = 97,3% erzielt und für die Probe 2 ein Wert von η = 98,6%. Der Beugungswirkungsgrad einer Fresnel-Linse (auf der eine Mikrostruktur mit strukturierter Oberfläche auf einer flachen Oberfläche ausgebildet ist) ist auf ähnliche Art und Weise bestimmbar.
Die optischen Eigenschaften eines Fresnel-DOE's wurden unter Verwendung der in der 2 gezeigten Messvorrichtung gemessen. Wie in der 7 gezeigt, weist das Fresnel-DOE 23 sowohl eine Strahlteilungsfunktion als auch eine Lichtsammelfunktion auf. Die Brennweite des Fresnel-DOE's 23 betrug 254 mm, die Anzahl der Brennpunkte 7 × 7 = 49, und der Punktabstand 1 mm. Zusätzlich wurde das Fresnel-DOE 23 aus ZnSe gefertigt.
Wie in der 8 gezeigt, wurde die in der 2 gezeigte fsinθ-Linse 9 in der Messvorrichtung durch eine asphärische Miniskuslinse 19 ersetzt, und eine Referenzlinse 24 oder ein Fresnel-DOE 23 wurde an dem vorderen Brennpunkt der Linse 19 angeordnet. Die Messung wurde wie folgt durchgeführt:

1. Schritt: Es wurde eine plankonvexe Linse (Referenzlinse 24) aus ZnSe mit gleichen Brennweite (254 mm) wie das Fresnel-DOE 23 eingerichtet und dann das Referenzleistungsverhältnis α = q₁/Q bestimmt.
2. Schritt: Das Fresnel-DOE 23 wurde anstelle der plankonvexen Linse eingerichtet und dann das Leistungsverhältnis β_k = q_k/Q eines jeden geteilten Strahls bestimmt.

Dann wurden der Beugungswirkungsgrad η und die Intensitätsgleichförmigkeit σ der geteilten Strahlen mit Hilfe der Gleichungen (1) bis (4) berechnet. Demzufolge wurde für die Probe 1 η = 71,7% und σ = 3,9% und für die Probe 2 η = 72,1% und σ = 3,7% erzielt. Da das Fresnel-DOE auch eine Lichtsammelfunktion aufweist, ist es möglich, Messungen ohne die Verwendung der in der 10 gezeigten Sammellinse zu verwenden.
Obwohl in den zuvor beschriebenen Beispielen die optischen Eigenschaften von CO₂-Laser-DOE's unter Verwendung eines CO₂-Lasers ermittelt werden, ist es möglich, eine ähnliche Messvorrichtung ebenso für DOE's anderer Laser (wie zum Beispiel für YAG-Laser, etc.) unter Verwendung des entsprechenden Lasers und der optischen Komponenten (Spiegel, Sammellinsen, etc.) zu gestalten und die optischen Eigenschaften mit Hilfe eines ähnlichen Verfahrens zu messen. Auch in diesem Fall ist es möglich, die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung zu erzielen.

Claims

Vorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements umfassend: eine Laserquelle zur Aussendung eines Laserstrahls; eine Strahlteilervorrichtung, um den Laserstrahl in einen Hauptstrahl und einen Referenzstrahl zu teilen; eine erste Messvorrichtung zum Messen der Leistung oder der Energie des Referenzstrahls; ein Probestück, um den Hauptstrahl in mehrere Teilstrahlen zu teilen; eine Maske, die von einem Teilstrahl durchlaufen werden kann; eine Vorrichtung zum Bewegen der Maske, um die Maske entlang von mindestens zwei axialen Richtungen in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse zu bewegen; eine zweite Messvorrichtung zum Messen der Leistung oder der Energie des geteilten Strahls, der die Maske durchlaufen hat; und eine Rechenvorrichtung zum Berechnen des Verhältnisses der Leistung oder der Energie, die von der ersten Messvorrichtung gemessen wurde, zu der Leistung oder der Energie, die von der zweiten Messvorrichtung gemessen wurde.
Vorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Sammellinse umfasst, die hinter dem Probestück angeordnet ist.
Vorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements nach Anspruch 2, wobei das Probestück an dem vorderen Brennpunkt der Sammellinse angeordnet ist.
Vorrichtung zur Messung optischer Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Sammellinse eine fsinθ-Linse ist.
Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, oder 3, das die Schritte umfasst: Berechnen eines Leistungsverhältnisses α = q₁/Q, wobei Q die Leistung ist, die von der ersten Messvorrichtung gemessen wird, und q₁ die Leistung ist, die von der zweiten Messvorrichtung gemessen wird, wenn eine Referenzlinse, die die gleiche Brennweite wie die des Probestücks aufweist, anstelle des Probestücks angeordnet wird; und Aufstellen des Probestücks und Berechnen eines Leistungsverhältnisses β_k = q_k/Q für jeden geteilten Strahl, wobei q_k die Leistung jedes geteilten Strahls ist, der von der zweiten Messvorrichtung gemessen wird, wenn das Probestück aufgestellt ist.
Verfahren zum Messen der optischen Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements unter Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, das die Schritte umfasst: Anordnen eines reflektierenden Spiegels vor der Sammellinse anstelle des Probestücks, Bestimmen der Abhängigkeit des Leistungsverhältnisses α(θ) = q₁/Q von einem Einfallswinkel θ des Laserstrahls, der auf die Sammellinse einfällt, während der Einfallswinkel θ mit dem reflektierenden Spiegel verändert wird, wobei Q die Leistung ist, die von der ersten Messvorrichtung gemessen wird, und q₁ die Leistung ist, die von der zweiten Messvorrichtung gemessen wird, und Normalisieren der bestimmten Abhängigkeit mithilfe von α(0), um einen Korrekturfaktor γ(θ) = α(θ)/α(0) zu erhalten; Berechnen eines Leistungsverhältnisses α = q₁/Q, wenn das Probestück nicht aufgestellt ist oder eine Referenzlinse, die die gleiche Brennweite wie die des Probestücks aufweist, anstelle des Probestücks angeordnet ist; und Aufstellen des Probestücks, Berechnen eines Leistungsverhältnisses β_k = q_k/Q für jeden geteilten Strahl, wenn das Probestück aufgestellt ist, wobei q_k die Leistung jedes geteilten Strahls ist, der von der zweiten Messvorrichtung gemessen wird, und Dividieren des Leistungsverhältnisses β_k durch den Korrekturfaktor γ(θ_k), der dem Diffraktionswinkel θ_k von jedem geteilten Strahl entspricht, um ein korrigiertes Leistungsverhältnis β_k' = β_k/γ(θ_k) zu erhalten.