DE19630607C1 - Vorrichtung zum Überwachen der Energie eines Laserstrahls - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen der Laserstrahlachse und der Fensterebene 1° bis 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.

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.

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.

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.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zum Überwachen der Energie und/oder Energiedichte eines Laserstrahls.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Überwachen der Energie und/oder Energie­ dichte eines Laserstrahls (10), der durch ein Fenster (14) einer Kammer auf ein Substrat (16) gerichtet wird und aus dem ein Strahlanteil (20) durch ein teilreflektierendes, in bezug auf die optische Achse (A) des durchtretenden Bearbeitungslaserstrahls schräg­ gestelltes optisches Element durch Reflexion ausgekoppelt und auf einen Energiedetektor (18) gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (14) zur Auskoppelung des Strahlanteils (20) in bezug auf die optische Achse (A) des durchtretenden Bearbeitungslaserstrahls schräggestellt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in bezug auf die Kammer äußere Oberfläche (14a) des Fensters (14) antireflektierend beschichtet ist und die innere Oberfläche (14b) des Fensters nicht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (18) zumindest annähernd in der Bildebene (16a) einer den Laserstrahl auf das Substrat (16) abbildenden Optik (12) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl linienförmig, insbesondere anamorphotisch, auf das Substrat (16) abgebildet wird und daß der Detektor (18) eine langgestreckte Form hat, insbesondere die Form eines Detektor- Arrays.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fenster (14) und dem Detektor (18) zumindest eine Blende (26) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Laserstrahl (10) ausgeleuchteter Spalt (28) so durch das Fenster (14) auf das Substrat (16) abgebildet wird, daß die lange Achse des Strahlquerschnittes in der Ebene des schräg­ gestellten Fensters (14) liegt.