JP6505396B2 - 放射源の出力密度分布を測定するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の特徴による放射源の出力密度分布を測定するための装置、及び請求項９に記載の特徴による放射源の出力密度分布を測定するための方法に関する。

レーザビームのオンライン測定及び制御用を含む測定用の装置が、様々な実施形態において周知である。この点について、特許文献１は、単一の光学素子によるオンライン監視用にレーザビームを出力結合し合焦させることを可能にする格子ミラー、監視装置、レーザ共振器及びビームガイドを開示する。この解決法は、格子ミラーが、高次回折へと回折されたレーザビームを少なくとも１つの焦点に合焦させるように各場合に選択される格子線のローカル格子周期及びローカル配列を有する格子ミラーによって特徴付けられる。この場合に、生ビームは、格子が追加的に適用されているミラーを介して導かれる。レーザビームの完全なビーム径が、格子上に導かれる。この格子によって、光は、一次回折においてのみ出力結合され、前記光は、更に、或るポイント、即ち検出器の位置で格子によって合焦される。

この配置の欠点は、特に、この合焦が、格子エリアにわたってローカルに変化する格子定数、及び生ビームの使用を絶対的に必要とするということである。これはまた、この解決法が、例えばウエハを分割するための工業用レーザ用に、又は一般に短く高い放射強度を用いるレーザ用途において必要とされるような横強度プロファイル、即ち出力密度分布に関して不適当であることを意味する。短波長用の反射素子が、ここでは不利である。特許文献１において、レーザビームの一部を出力結合するための基板として、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＺｎＳ又はＳｉなどの（部分的に）透過性の材料を使用することに関して問題であると考えられることは、出力結合されたレーザ放射が基板材料を通過し、その結果、光学素子の冷却が、もはや後側からエリア全体にわたっては達成することができず、従って、周囲に沿って達成されなければならないことである。更に、上記の材料のほとんどは、乏しい熱伝導率を有し、それは、変更された冷却と共に、出力結合用に使用される光学素子の汚染の場合に、破壊に対するより大きな感受性に帰着することになろう。更に、出力結合されたレーザビームの合焦又は結像は、それが必要な場合に、一般に更なる光学素子によってのみ達成することができる。しかしながら、これは、既に上記で言及した用途の場合には永続的に重要なわけではない。何故なら、これが、特にＩＲ範囲において適用可能であり、更に測定が、連続的に必要とされるわけではないからである。

配光が、光学構造を介してＣＣＤカメラ上に結像されるか、又は吸収絞りによって決定されるかのいずれかであり、絞り下流における結果としての強度が、全積分検出器（フォトダイオード、カロリメトリック検出器等）によって記録される周知の解決法も存在する。絞りに基づいた測定システムの場合に、幾つかの例において、例えばナイフエッジ（傾斜及びストレート）及び／又はスリットの場合などの異なる絞りが用いられる。このように得られたデータから、続いて次にプロファイルが計算される（逆重畳積分）。これらの絞りは、透明なキャリア基板上の金属又は吸収金属層から一般に作製される。最小開口部サイズは、２〜５μｍの範囲である。

これは、今度は、第１にＣＣＤに基づいた測定システムが、低強度にしか耐えられないという欠点を有する。強度がより大きくなると、レーザビームは、ＣＣＤカメラを損傷しないように減衰されなければならない。この減衰は、一般に中性フィルタによって行われる。しかしながら、レーザビームの結像における歪みが、ここで、表面のむら又は熱レンズの形成の故に発生する可能性がある。従って、測定は、幾つかの例において大きく損なわれる。

従って、絞り又はナイフエッジシステムは、高強度で用いられる。しかしながら、ここで、非常に高い強度において、特にパルスレーザの場合に、吸収絞り材料がまた腐食され、従って絞りが急速に劣化するという不都合が存在する。

独国特許出願公開第１０ ２００７ ０６２ ８２５Ａ１号明細書

従って、本発明の目的は、先行技術と比較して改善された、且つ特に高出力密度において、例えばＶＵＶ領域において使用できる放射源の出力密度分布を測定するための装置を提供することである。この目的は、請求項１の特徴によって達成される。有利な構成が、それぞれの従属請求項及び以下の説明から明白である。

放射源の出力密度分布を測定するための装置であって、次の特徴、即ち、
放射方向に光ビームを放射するように設計された放射源と、
放射方向において放射源の下流に配置された、且つｘ方向及びｙ方向に広がりを有する基板であって、基板が、第１の領域及び少なくとも１つの更なる第２の領域を有し、第１の領域が、基板に当たる光ビームをゼロ次回折及び少なくとも１つの一次回折に分離するように設計された回折構造を含む基板と、
放射方向において基板の下流に配置された、且つ基板を透過する一次回折の強度を測定するように、及びそこから出力密度分布を導き出すように設計された検出ユニットと、
を含む装置が提示される。

本発明は、光ビームが吸収されず、逆に反射又は透過するだけなので、回折構造の場合には劣化の程度が著しくより低いという洞察を利用する。従って、本発明は、透過した放射を排他的に用いる。従って、装置は、著しくより長い寿命を有し、先行技術による吸収絞りが働かなくなるであろう強度においてさえ用いることができる。装置のよりコスト効率の良い動作は、このように寿命の増加によって可能になる。本発明によれば、技術的特徴である「回折構造」は、光ビームを成形するための任意の光学素子を意味すると理解される。例として、構造は、微細構造がフォトリソグラフィによって適用されるガラスキャリアの領域とすることができる。位相変調が、部分ビームの異なる光路長の結果として前記微細構造において発生し、その結果、干渉パターンが発生する。

一層大きな強度減衰が必要な場合に、回折が高次であるほど一般により低い回折効率及び従ってより低い強度を有するので、一次回折の代わりに高次回折が任意選択的に用いられるようにすることができる。従って、本発明によれば、一次回折はまた、より高次の回折を意味すると理解されるべきである。

好ましい一実施形態において、全光ビームは、回折構造に当たることができる。従って、全光ビームは、回折され、検出ユニットによって測定され得る。

更なる好ましい実施形態において、第１の領域は、光ビームの１つの特定の部分だけが、ゼロ次回折及び少なくとも１つの一次回折に分離されるような方法で設計され、基板及び／又は放射源は、移動可能なように設計され、基板及び／又は放射源の移動の結果、光ビームの複数の部分が、ゼロ次回折及び少なくとも１つの一次回折に分離され得るが、それは、ここでは、より高次の回折の使用が排除されないように意図されていることを意味する。従って、回折構造は、単に数平方マイクロメートルであることが必要な非常に小さな限られたエリア上で実現することができる。光ビームの特定の部分、好ましくは個別のポイントが、この配置によって評価され得る。出力密度分布の２次元画像が、続いて、基板の移動又は走査によって記録され得る。好ましくは、基板が、光ビームの少なくとも１つの特定の部分をゼロ次回折及び少なくとも１つの一次回折に分離するようにそれぞれ設計された複数の第１の領域を有するようにもなっている。従って、全体的な測定速度は、向上させることができる。

更に、更なる好ましい実施形態において、放射源は、特に３４３ｎｍの波長を有するレーザ放射源として設計することができる。かかるレーザ放射源は、本発明による装置を使用できる材料処理用に特に適している。

更なる好ましい実施形態において、回折構造は、２進格子として設計され、２進格子の格子線は、ｘ及び／又はｙ方向において配列される。特に好ましくは、第１の領域の回折構造、及び更に第１の領域に直接隣接する回折構造が、ｘ及び／又はｙ方向において配列されるような方法で、一実施形態が設計され得る。その結果、出力密度分布の空間分解情報に加えて、ローカルな偏光に関する情報を取得することも可能である。

更なる好ましい実施形態によれば、２進格子は、格子周期を有し、格子周期は、格子内で変化する。かかる実施形態は、一次回折の異なる偏向角を生成することを可能にする。従って、出力密度分布の空間分解測定が可能である。

更なる好ましい実施形態において、基板は、特定の角度だけ傾斜させることができ、且つ／又は基板に対する表面法線は、格子の好ましい向きに対して傾斜を有することができる。傾斜又は傾斜プロセスによって、より多くの光を、標的方法で２つの一次回折の１つに導くことができる。この手順は、検出ユニットをチューニングするために用いることができる。

更なる好ましい実施形態において、評価及び制御ユニットを更に設けることができ、評価及び制御ユニットは、検出ユニットによって測定されたデータを評価し、且つ制御信号を放射源に転送するように設計される。従って、放射源の強度は、フィードバック制御によって影響され得る。

出力結合される信号強度が、使用される放射源の出力に依存して、或る状況下でやはり非常に高くなり得るので、検出ユニットは、測定中に損傷される可能性がある。回折構造は、格子周期内の格子深さ、及びトレンチとウェブとの間のアスペクト比によって、非常に単純な方法で回折光の強度を制御することを可能にする。

更に、放射源の出力密度分布を測定するための方法であって、方法が、上記の装置の実施形態によって実行可能であり、以下のステップ、即ち、
放射方向に光ビームを放射するように設計された放射源を設けるステップと、
放射方向において放射源の下流に配置された、且つｘ方向及びｙ方向に広がりを有する基板を設けるステップであって、基板が、第１の領域及び少なくとも１つの更なる第２の領域を有し、第１の領域が、基板に当たる光ビームをゼロ次回折及び少なくとも１つの一次回折に分離するように設計された回折構造を含むステップと、
放射方向において基板の下流に配置される検出ユニットを設けるステップと、
基板を透過する一次回折の強度を検出ユニットによって測定するステップと、
測定された強度から出力密度分布を導き出すステップと、
を含む方法が提示される。

更に、方法の更なる実施形態において、ゼロ次回折は、ワークピースを処理するために使用することができ、放射源は、導き出された出力密度分布が所定の出力密度分布に対応しない場合に、再調整することができる。再調整ステップは、例えば、検出ユニットによって測定されたデータを評価する、且つ制御信号を放射源に転送する評価及び制御ユニットによって達成することができる。従って、装置はまた、ワークプロセス、例えばウエハの場合の切断プロセス中の監視及び制御用に、従って、処理されるワークピース上及びその中における非常に高度な均一性を達成するために、且つ所望の形状のために適切であり得る。

本発明は、添付の図に関連して以下で例としてより詳細に説明される。

本発明の第１の例示的な実施形態に従って出力密度分布を測定するための装置の概略図を示す。 本発明の第２の例示的な実施形態に従って出力密度分布を測定するための装置の概略図を示す。 本発明の第２の例示的な実施形態に従って出力密度分布を測定するための装置の更なる概略図を示す。 回折構造として設計される本発明による第１の領域の様々な例示的な実施形態を示す。 回折構造として設計される本発明による第１の領域の様々な例示的な実施形態を示す。 回折構造として設計される本発明による第１の領域の様々な例示的な実施形態を示す。 本発明の第３の例示的な実施形態に従って出力密度分布を測定するための装置の概略図を示す。 本発明の第４の例示的な実施形態に従って出力密度分布を測定するための装置の概略図を示す。 本発明による方法のシーケンスを示す。

図１は、本発明の第１の例示的な実施形態に従って出力密度分布を測定するための装置１の概略図を示す。装置は、放射方向ＳＲに光ビームＬを放射する放射源の出力密度分布を測定するように設計される（より具体的な詳細では図示せず）。放射源は、例えば、ワークピースを処理するように設計されたレーザ放射源とすることができる（より具体的な詳細では図示せず）。この装置は、放射の質、即ちその出力密度分布を判定するために設けられる。

装置１は、透明材料から成形された基板２を含む。基板は、第１の領域３及び第２の領域４を有する。第１の領域３は、回折構造５として設計される。前記構造は、光ビームを、ゼロ次回折６、一次回折７及びより高次の回折に分離するために適しており、明確にするために一次回折のビーム経路だけが図１に示されている。一次回折は、合焦レンズＦによって検出ユニット８上に合焦され、その強度は測定され、そこから出力密度分布が導き出される。

図２は、本発明の第２の例示的な実施形態に従って出力密度分布を測定するための装置１の概略図を示す。この例示的な実施形態と図１による例示的な実施形態との間の差は、光ビームの或る部分だけが、ゼロ次回折６及び一次回折７にそれぞれ分離されるということである。全光ビームを測定するために、この実施形態では、基板２が、装置によって移動可能なように設計されるための準備がなされる（より具体的な詳細では図示せず）。基板２の可能な移動は、矢印Ｍによって実例として明らかにされるように意図されている。図３は、図２による装置１の更なる概略図である。図３は、第１の領域が、第２の領域４より小さな面積を有するように設計されていることを明らかにする。例として、２進格子の５〜１５の格子周期を２〜５μｍの解析エリア用に使用することができる。

図４〜６は、本発明による回折構造５及び構造を構成する格子線の配列における様々な例示的な実施形態を示す。当業者は、格子線が、ｘ若しくはｙ方向又は或る他の方向に沿って向けられ得ることを図から推測することができる。複数の回折構造を基板上に配置することも可能であり、異なる回折構造の格子線は、同一の向き（例えば図６の６ｂを参照）又は異なる向き（例えば図６の６ａを参照）を有することができる。

図７及び８に示されている例示的な実施形態によれば、装置１はまた、評価及び制御ユニット９を追加的に含む。前記ユニット９は、検出ユニット８によって測定されたデータを評価するために、且つ対応する制御信号を放射源１１に転送するために働く。従って、放射源１１は、ワークピース１２の処理中に制御されることが可能である。任意選択的に、図７による装置１は、更なる光学監視ユニット１０を含むことが可能である。

図９は、本発明の例示的な一実施形態による放射源の出力密度分布を測定するための方法４００の流れ図を示す。出力密度分布を測定するための方法４００は、有利には、図１、図２又は図７及び図８の装置と共に又はそれを用いて実行可能である。

方法４００は、放射方向ＳＲに光ビームＬを放射するように設計された放射源を設けるステップ４０１を含む。更に、方法４００は、放射方向において放射源の下流に配置された、且つｘ方向及びｙ方向に広がりを有する基板２を設けるステップ４０２（設置ステップ４０１に続く）を含み、基板は、第１の領域３及び少なくとも１つの更なる第２の領域４を有し、第１の領域は、基板に当たる光ビームをゼロ次回折６及び少なくとも１つの一次回折７に分離するように設計された回折構造５を含む。更に、方法４００は、放射方向において基板２の下流に配置された検出ユニット７を設けるステップ４０３（設置ステップ４０２に続く）を含む。更に、方法４００は、基板を透過する一次回折の強度を検出ユニットによって測定するステップ４０４（設置ステップ４０３に続く）を含む。更に、方法４００は、測定された強度から出力密度分布を導き出すステップ４０５（測定ステップ４０４に続く）を含む。

本発明の適切な例示的実施形態の以下の説明において、同一又は同様の参照符号は、異なる図に示されている同様に動作する要素に使用され、これらの要素の説明の繰り返しが省かれる。

説明され図に示された例示的な実施形態は、単に例として選択されたものである。異なる例示的な実施形態が、互いに完全に組み合わされることも、個別の特徴に関して組み合わされることもある。更に、例示的な一実施形態は、更なる例示的な実施形態の特徴で補うことができる。

例示的な実施形態が、第１の特徴と第２の特徴との間に「及び／又は」の連結を含む場合に、これは、次のように解釈されるべきである。即ち、例示的な実施形態が、一実施形態による第１の特徴及び第２の特徴の両方を含み、且つ更なる実施形態による第１の特徴だけ又は第２の特徴だけのいずれかを含むように解釈されるべきである。

１ 装置
２ 基板
３ 第１の領域
４ 第２の領域
５ 回折構造
６ ゼロ次回折
７ 一次回折
８ 検出ユニット
９ 評価及び制御ユニット
１０ 光学監視ユニット
１１ 放射源
１２ ワークピース
４０１〜４０４ 設置ステップ
Ｆ 合焦レンズ
Ｌ 光ビーム
ＳＲ 放射方向

Claims (9)

1. 放射源（１１）の出力密度分布を測定するための装置（１）であって、以下の特徴、即ち、
   放射方向（ＳＲ）に光ビーム（Ｌ）を放射するように設計された放射源と、
   前記放射方向において前記放射源の下流に配置された、且つｘ方向及びｙ方向に広がりを有する基板（２）であって、前記基板が、第１の領域（３）及び少なくとも１つの更なる第２の領域（４）を有し、前記第１の領域が、前記基板に当たる前記光ビームをゼロ次回折（６）及び少なくとも１つの一次回折（７）に分離するように設計された回折構造（５）を含む基板（２）と、
   前記放射方向において前記基板の下流に配置された、且つ前記基板を透過する前記一次回折の強度を測定するように、及びそこから出力密度分布を導き出すように設計された検出ユニット（８）と、
   を含み、
   前記第１の領域（３）が、前記光ビームの前記第１の領域を透過する特定の部分だけがゼロ次回折及び少なくとも１つの一次回折に分離されるような方法で設計され、前記基板（２）及び／又は前記放射源が、移動可能なように設計され、前記基板（２）及び／又は前記放射源の移動の結果、前記光ビームの複数の部分が、ゼロ次回折（６）及び少なくとも１つの一次回折（７）に分離され得ることを特徴とする装置。
2. 前記基板が、前記光ビームの少なくとも１つの特定の部分をゼロ次回折及び少なくとも１つの一次回折に分離するようにそれぞれ設計された複数の第１の領域を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記放射源が、特に３４３ｎｍの波長を有するレーザ放射源として設計されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記回折構造が、２進格子として設計され、前記２進格子の格子線が、前記ｘ及び／又はｙ方向において配列されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記２進格子が、格子周期を有し、前記格子周期が、前記格子内で変化することを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記基板（２）が、特定の角度だけ傾斜され得、且つ／又は前記基板（２）に対する表面法線が、前記格子の好ましい向きに対して傾斜を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記検出ユニット（８）によって測定されたデータを評価する、且つ制御信号を前記放射源に転送するように設計される評価及び制御ユニット（９）が更に設けられることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 放射源の出力密度分布を測定するための方法（４００）であって、前記方法が、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置と共に実行可能であり、以下のステップ、即ち、
   放射方向（ＳＲ）に光ビーム（Ｌ）を放射するように設計された放射源を設けるステップ（４０１）と、
   前記放射方向において前記放射源の下流に配置された、且つｘ方向及びｙ方向に広がりを有する基板（２）を設けるステップ（４０２）であって、前記基板が、第１の領域（３）及び少なくとも１つの更なる第２の領域（４）を有し、前記第１の領域が、前記基板に当たる前記光ビームをゼロ次回折（６）及び少なくとも１つの一次回折（７）に分離するように設計された回折構造（５）を含むステップ（４０２）と、
   前記放射方向において前記基板（２）の下流に配置される検出ユニット（７）を設けるステップ（４０３）と、
   前記基板を透過する前記一次回折の強度を前記検出ユニット（７）によって測定するステップ（４０４）と、
   前記測定された強度から出力密度分布を導き出すステップ（４０５）と、
   を含む方法（４００）。
9. 前記ゼロ次回折が、ワークピース（１２）を処理するために使用され、前記放射源（１１）が、前記導き出された出力密度分布が所定の出力密度分布に対応しない場合に、再調整されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
   

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