DE19630607C1 - Vorrichtung zum Überwachen der Energie eines Laserstrahls - Google Patents
Vorrichtung zum Überwachen der Energie eines LaserstrahlsInfo
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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.
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8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
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