Störfaktor in HL-Lithografie messbar gemacht

Die Erzeugung von thermischen Linsen bei der Durchstrahlung von optischen Medien mit Laserlicht ist ein auch in der HL-Lithografie bekanntes Problem. Die dadurch auftretende Strahlverformung kann zu Instabilitäten und Dejustage führen. Das Laser-Laboratorium Göttingen hat ein Verfahren entwickelt, um die thermische Linse in Echtzeit sichtbar zu machen.

Strahlungsinduzierte thermische Linsen können z.B. in der Halbleiter-Lithographie zum ‚lens heating’ führen, das eine Verringerung der Auflösung zur Folge hat. Das am Laser-Laboratorium Göttingen entwickelte Messsystem dient der quantitativen Erfassung dieses Effekts.

Es basiert auf einem verbesserten Hartmann-Shack-Wellenfrontsensor. Dieser zeichnet sich durch eine extreme Empfindlichkeit aus und kann Wellenfrontänderungen im Bereich Lambda/10.000 nachweisen. Das entspricht Abweichungen von weniger als 0,1 nm bei einer abgetasteten Fläche von einigen Quadrat-Zentimetern. Der Vorteil gegenüber interferometrischen Verfahren besteht darin, dass das Messsystem trotz der hohen Empfindlichkeit kompakt und flexibel einsetzbar ist. Die Aufnahme der Wellenfront ist einfach und erfolgt in Echtzeit.

Abb.1: Thermische Linse an Excimerlaser-bestrahlter Quarzplatte; die Verbiegung der Wellenfront des zur Messung eingesetzten fasergekoppelten Diodenlasers (639 nm) beträgt ca. 2 nm. Zweidimensionale, geglättete Form. (Laser-Laboratorium Göttingen)
Abb.1: Thermische Linse an Excimerlaser-bestrahlter Quarzplatte; die Verbiegung der Wellenfront des zur Messung eingesetzten fasergekoppelten Diodenlasers (639 nm) beträgt ca. 2 nm. Zweidimensionale, geglättete Form. (Laser-Laboratorium Göttingen)

Abbildung 1 zeigt die fotothermische Messung an einer Quarzplatte, die von einem Excimerlaser bei der Wellenlänge 193 nm bestrahlt wurde. Die ebene Wellenfront eines kollimierten Laserstrahls „verbiegt“ sich nach Einschalten des Excimerlasers innerhalb weniger Sekunden zu einer rotationssymmetrischen Mulde. Ursachen hierfür sind Brechungsindexänderung und thermische Ausdehnung der Quarzplatte. Die Mulde der Ausformung hat die Wirkung einer Konvexlinse. Deren Brennweite (Defokus) beträgt im gezeigten Bespiel rund 1 km (!). Die Gesamtauslenkung der Wellenfront (Spitze-Spitze) misst etwa 2 nm.

Echtzeit-Ansicht aus der Steuersoftware Mr. Beam. (Laser-Laboratorium Göttingen)
Echtzeit-Ansicht aus der Steuersoftware Mr. Beam. (Laser-Laboratorium Göttingen)

Mit dem neuen Verfahren lassen sich einerseits die induzierten Wellenfrontänderungen durch Zernike-Analyse genau vermessen. Somit können Maßnahmen zur Kompensation ergriffen werden, z.B. durch adaptive Optiken. Andererseits kann die fotothermische Messung auch zur schnellen Bewertung der Qualität optischer Komponenten eingesetzt werden. Denn das Ausmaß der Wellenfrontänderung ist direkt proportional zu den thermischen Absorptionsverlusten. Damit erschließt sich ein weiteres Einsatzgebiet des Hartmann-Shack-Sensors. (Detlef Scholz)

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