DE102015219330A1

DE102015219330A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Strahlanalyse

Info

Publication number: DE102015219330A1
Application number: DE102015219330.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Manger; Christoph Husemann; Matus Kalisky; Lars Stoppe
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-04-13
Also published as: EP3359928A2; EP3359928B1; WO2017060296A2; WO2017060296A3; US11054305B2; US20180202860A1; EP3359928B9; EP3783323A1; US20200088571A1; US10605654B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlanalyse in einem optischen System, wobei eine Mehrzahl von Strahlparametern eines sich entlang einer optischen Achse (OA) ausbreitenden Strahls ermittelt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Aufspalten des Strahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen, welche einen Fokusversatz in bezogen auf die optische Achse (OA) longitudinaler Richtung aufweisen, Aufnehmen eines durch diese Teilstrahlen erzeugten Messbildes, Durchführen einer Vorwärtssimulation des Strahls in dem optischen System auf Basis geschätzter Anfangswerte für die Strahlparameter zum Erhalt eines simulierten Bildes, und Berechnen eines Satzes von Werten für die Strahlparameter auf Basis eines Vergleichs zwischen dem simulierten Bild und dem Messbild.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlanalyse in einem optischen System. Die Erfindung ist insbesondere einsetzbar, um bei einem Laserstrahl über eine Analyse der geometrischen Strahlparameter (wie Lage und Kipp) hinaus auch Aufschluss über etwaige Wellenfrontabweichungen zu erlangen und diese ggf. in Echtzeit während des Betriebs des jeweiligen optischen Systems zu korrigieren.
Die Erfindung ist zur Analyse elektromagnetischer Strahlung geeignet, wie sie z. B. in Laserplasmaquellen (etwa bei einer EUV-Quelle einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage) eingesetzt wird, jedoch nicht hierauf beschränkt. In weiteren Anwendungen ist die Erfindung auch allgemein dazu geeignet, elektromagnetische Strahlung, die zu beliebigen (insbesondere Mess- oder Diagnose-)Zwecken eingesetzt wird, zu analysieren.
Stand der Technik
Viele Laseranwendungen erfordern eine möglichst genaue Kenntnis von Strahlparametern wie z. B. der Strahlgröße, Strahldezentrierung, Strahlneigung oder Strahldivergenz) sowie auch die Korrektur von Aberrationen (wie z. B. Astigmatismus, Koma und sphärische Aberration).
Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem ist, dass z. B. thermisch induzierte Wellenfrontänderungen bzw. Aberrationen der Laserstrahlen auftreten können, deren möglichst exakte Kenntnis für eine im Betrieb (d. h. in Echtzeit) erfolgende Korrektur notwendig ist.
Der Einsatz von herkömmlicherweise zur Wellenfrontmessung gebräuchlichen Sensoren (wie z. B. sogenannten Shack-Hartmann-Sensoren mit einer in der Brennebene einer Mikrolinsenanordnung befindlichen CCD-Kamera) ist hier aber insoweit nur beschränkt geeignet, als aufgrund der durch die Messanordnung prinzipbedingt eingeführten geometrischen Bezugszentren (z. B. Scheitel bzw. Aperturen der Linsen in der Mikrolinsenanordnung bei einem Shack-Hartmann-Sensor) das jeweilige Messergebnis auch durch Effekte beeinflusst wird, welche auf der Wechselwirkung bzw. Scherung des Koordinatensystems der Laserstrahlung einerseits mit dem Koordinatensystem der Messanordnung andererseits beruhen (so dass quasi das der Messanordnung eigene intrinsische Koordinatensystem dem Messergebnis „aufgeprägt” wird). Dies hat insbesondere zur Folge, dass bei der Messung auftretende Strahlstörungen etwa infolge einer Positionsänderung der Messanordnung relativ zum Laserstrahl sich unmittelbar im Messergebnis bemerkbar machen und eine zuverlässige Wellenfrontanalyse insoweit erschweren bzw. verhindern, als nicht feststellbar ist, ob ein gemessener Wellenfronteffekt auf einer tatsächlich aufgetretenen (z. B. thermisch induzierten) Wellenfrontmodifikation oder nur einer Positionsänderung (z. B. „Wackeln”) der Messanordnung relativ zum Laserstrahl beruht.
Mit anderen Worten besteht bei der Analyse von Wellenfrontaberrationen eines Laserstrahls der Bedarf, diese im Koordinatensystem des Laserstrahls selbst (und nicht in demjenigen der Messanordnung) zu ermitteln.
Des Weiteren besteht auch der Bedarf, die entsprechenden Ergebnisse hinreichend schnell im Betrieb des jeweiligen Systems zu erhalten, um etwa unter Verwendung eines adaptiven Spiegels oder dergleichen umgehend etwaige Wellenfrontaberrationen korrigieren zu können.
Eine lediglich beispielhafte Laseranwendung ist die Laserplasmaquelle, welche z. B. in der Lithographie zur Erzeugung von EUV-Licht (z. B. bei Wellenlängen von z. B. etwa 13 nm oder etwa 7 nm) eingesetzt wird und zu der 7 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus zeigt. Die EUV-Laserplasmaquelle gemäß 7 weist einen (nicht gezeigten) Hochenergielaser z. B. zur Erzeugung von Infrarotstrahlung 706 (z. B. CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von λ ≈ 10.6 μm) auf, welche über eine Fokussieroptik fokussiert wird, durch eine in einem als Ellipsoid ausgebildeten Kollektorspiegel 710 vorhandene Öffnung 711 hindurchtritt und auf ein mittels einer Targetquelle 735 erzeugtes und einer Plasmazündungsposition 730 zugeführtes Targetmaterial 732 (z. B. Zinntröpfchen) gelenkt wird. Die Infrarotstrahlung 706 heizt das in der Plasmazündungsposition 730 befindliche Targetmaterial 732 derart auf, dass dieses in einen Plasmazustand übergeht und EUV-Strahlung abgibt. Diese EUV-Strahlung wird über den Kollektorspiegel 710 auf einen Zwischenfokus IF (= ”Intermediate Focus”) fokussiert und tritt durch diesen in eine nachfolgende Beleuchtungseinrichtung, deren Umrandung 740 lediglich angedeutet ist und die für den Lichteintritt eine freie Öffnung 741 aufweist, ein.
Sowohl die Bestimmung der Tröpfchenposition der das Targetmaterial bildenden (z. B. Zinn-)Tröpfchen als auch die Bestimmung der Fokuslage der entsprechend nachzuführenden Laserstrahlen können mit einer sogenannten Strahlpropagationskamera erfolgen, wobei sowohl die Laserstrahlen in „Vorwärtsrichtung” (d. h. die Infrarotstrahlung 706 vor dem Auftreffen auf die jeweiligen Target-Tröpfchen) als auch die Laserstrahlen in „Rückwärtsrichtung” (d. h. die von dem jeweiligen Target-Tröpfchen zurückreflektierte Infrarotstrahlung 706) erfasst und die für die Laserstrahl- sowie Tröpfchenführung benötigten Messdaten gewonnen werden. Hierbei besteht der Bedarf, thermisch induzierte Aberrationen umgehend korrigiert zu können, was eine genaue und schnelle Analyse der Laserstrahlen erfordert.
Zum Stand der Technik wird beispielhaft auf WO 2015/113713 A1 verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlanalyse bereitzustellen, welche eine zuverlässige bzw. möglichst störungsfreie sowie hinreichend schnell erfolgende Analyse ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die Vorrichtung gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 14 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Strahlanalyse in einem optischen System, wobei eine Mehrzahl von Strahlparametern eines sich entlang einer optischen Achse ausbreitenden Strahls ermittelt werden, weist folgende Schritte auf:

– Aufspalten des Strahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen, welche einen Fokusversatz in bezogen auf die optische Achse longitudinaler Richtung aufweisen,
– Aufnehmen eines durch diese Teilstrahlen erzeugten Messbildes,
– Durchführen einer Vorwärtssimulation des Strahls in dem optischen System auf Basis geschätzter Anfangswerte für die Strahlparameter zum Erhalt eines simulierten Bildes, und
– Berechnen eines Satzes von Werten für die Strahlparameter auf Basis eines Vergleichs zwischen dem simulierten Bild und dem Messbild.

Unter der „Aufspaltung eines Strahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen” ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, dass diese Teilstrahlen jeweils eine Kopie des ursprünglichen aufgespaltenen Strahls insofern darstellen, als die Teilstrahlen jeweils die gleichen geometrischen Parameter wie der ursprüngliche Strahl aufweisen, wobei lediglich die Intensität der Teilstrahlen gegenüber der Intensität des ursprünglichen Strahls infolge der Aufspaltung in mehrere Teilstrahlen entsprechend reduziert ist. Im Ergebnis wird mit der strahlaufspaltenden optischen Anordnung der zu analysierende Strahl in geeigneter Weise in eine Mehrzahl von Teilstrahlen repliziert, wobei mit einer Sensoranordnung geeigneter Ausdehnung mehrere Strahlschnitte bzw. Messspots gleichzeitig aufgezeichnet werden können.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren weiter die Schritte auf:

– Iteratives Durchführen der Schritte der Vorwärtssimulation und des Berechnens eines Satzes von Werten für die Strahlparameter, wobei die jeweils berechneten Werte für die Strahlparameter einer jeweils nachfolgenden Vorwärtssimulation zugrundegelegt werden, und
– Ausgeben von durch diese Iteration ermittelten Ausgabewerten für die Strahlparameter.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt somit das Berechnen eines Satzes von Werten für die Strahlparameter insbesondere iterativ auf Basis einer Mehrzahl von Vergleichen zwischen aufgenommenen Messbildern und berechneten bzw. simulierten Bildern. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass unvermeidliche Interferenzen zwischen den einzelnen, unterschiedlichen Fokuslagen zugeordneten Messbildern („Spot-Bilder”) auftreten, wobei die Interferenzen insbesondere zu vergleichsweise großen gegenseitigen Störungen der Spots führen können. Die einzelnen, unterschiedlichen Fokuslagen zugeordneten Messbilder können aufgrund der gegenseitigen Störungen nicht einfach als unabhängig voneinander angesehen werden, was wiederum einer „separaten” Vorwärts- und Rückwärtspropagation – bei welcher z. B. die den einzelnen Fokuslagen zugeordneten Komponenten der strahlaufspaltenden optischen Anordnung als entkoppelt betrachtet bzw. einzeln berücksichtigt werden – durch das optische System hindurch entgegensteht bzw. ein korrektes Zurückrechnen auf die Strahlparameter verhindert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Aufnahme eines durch den Strahl erzeugten Nahfeldbildes.
Die Aufnahme des Nahfeldbildes und die Aufnahme eines dem durch die Teilstrahlen erzeugten Messbild entsprechenden Fernfeldbildes können simultan erfolgen. Ferner können zur Aufnahme der Messbilder auch mehr als eine Sensoranordnung (z. B. eine Sensoranordnung zur Aufnahme des Nahfeldbildes und eine weitere Sensoranordnung zur Aufnahme des Fernfeldbildes) verwendet werden.
Unter „Nahfeld” wird hierbei die Amplituden- bzw. Intensitätsverteilung in einer Schnittebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung im Bereich des kollimierten (d. h. aufgeweiteten bzw. nahezu divergenzfreien) Strahls bezeichnet. Das „Fernfeld” hingegen entspricht der Amplituden- bzw. Intensitätsverteilung in einer taillen- bzw. fokusnahen Ebene senkrecht zur Strahlausbreitung im Bereich des fokussierten bzw. konvergenten Strahls.
Diese Aufzeichnung des Nahfeldbildes ermöglicht es, den Betragsanteil der komplexen Amplitudenfunktion (als Quadratwurzel der Intensität) für den zu analysierenden Strahl unmittelbar im Nahfeld direkt zu bestimmen. Dies ist insoweit besonders vorteilhaft, als der Betrag der Amplitude aus dem Fernfeldbild (d. h. dem fokusnahen Bild nach Durchlaufen der strahlformenden und strahlaufspaltenden Optik) nur schwierig zu bestimmen ist, da die Fokussiereigenschaften bzw. Fernfeldbilder im Wesentlichen durch die Phase der elektromagnetischen Strahlung dominiert sind und der Betrag der Amplitude im Fernfeld nur schlecht zugänglich ist. Durch die Erfindung wird somit explizit dem Umstand Rechnung getragen, dass Nahfeld und Fernfeld insofern gewissermaßen komplementäre Information tragen, als sie unterschiedliche Aspekte der komplexen Amplitudenfunktion abbilden. Das erfindungsgemäße Konzept hat zur Folge, dass aus dem Fernfeldbild i. W. nur noch die Wellenfront bzw. die Phase der komplexen Amplitude bestimmt werden muss. Im Ergebnis wird daher das Rekonstruktionsergebnis bei der erfindungsgemäßen zusätzlichen Berücksichtigung der Nahfeldinformation im Vergleich zu einer alleinigen Berücksichtigung der Fernfeldinformation deutlich verbessert.
Der Umstand, dass erfindungsgemäß bereits eine einzige mit einer Sensoranordnung erfolgte Aufnahme (d. h. die simultane Aufnahme eines Nahfeldbildes und eines Fernfeldbildes) die vollständige, zur Strahlauswertung erforderliche Information liefert, hat den weiteren Vorteil, dass z. B. bei einem gepulsten Laser, oder auch bei anderen Lasertypen (wie z. B. CW-Lasern) mit ausgeprägten Fluktuationen in den Strahleigenschaften, einzelne (z. B. pulsaufgelöste) Wellenfrontanalysen (gewissermaßen als „single shot”-Messungen) durchgeführt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Mehrzahl von Strahlparametern wenigstens einen der Parameter Strahlgröße, Strahldezentrierung, Strahlneigung, Strahldivergenz, Astigmatismus, Koma, sphärische Aberration, sowie ggf. auch weitere Parameter. Die Aberrationen können beliebiger Ordnung sein und beispielsweise in einem hierarchischen, idealerweise der Symmetrie angepassten Funktionensystem (z. B. Zernike-Polynome) beschrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt auf Basis der Ausgabewerte für die Strahlparameter eine Manipulation des Strahls unter Anpassung wenigstens eines der Strahlparameter.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ausgeben der Ausgabewerte und die Anpassung wenigstens eines der Strahlparameter in Echtzeit während des Betriebs des optischen Systems.
Gemäß einer Ausführungsform wird im Laufe der iterativen Durchführung der Schritte der Vorwärtssimulation und des Berechnens eines Satzes von Werten für die Strahlparameter die Anzahl der variierten Strahlparameter variiert, insbesondere reduziert.
Die Erfindung beinhaltet hier das weitere Konzept, unter Nutzung des jeweils zuvor ermittelten Bildes im Sinne eines adaptiven Vorgehens den Modellumfang anzupassen.
Hierdurch kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass eine Freigabe einer hohen Anzahl von Parametern bei der iterativen Durchführung der Schritte der Vorwärtssimulation und des Berechnens eines Satzes von Werten für die Strahlparameter zu einer hohen numerischen Komplexität führt, was ggf. einer Echtzeitbestimmung und -anpassung der Strahlparameter (z. B. der Strahlanpassung in einer Laserplasmaquelle) entgegensteht. Vorzugsweise kann z. B. zunächst ein Start mit einem vergleichsweise kleinen Umfang des Parametersatzes erfolgen, wobei dann im weiteren Verlauf der Iteration der Parametersatz hinsichtlich der simultan variierten Parameter sukzessive erweitert (also eine adaptive Anpassung des Modells vorgenommen) wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird im Laufe der iterativen Durchführung der Schritte der Vorwärtssimulation und des Berechnens eines Satzes von Werten für die Strahlparameter ein bei dieser Iteration angewendeter Algorithmus variiert.
Beispielsweise kann nach Erreichen eines quasi-stationären Betriebs des jeweiligen Systems (z. B. der Plasmalichtquelle), während dem nur noch geringe Änderungen der Strahlparameter auftreten, eine raschere Auswertemethode gewählt werden, um eine möglichst hohe Geschwindigkeit bei der Strahlanalyse zu erzielen. Dabei kann insbesondere die bereits zuvor gesammelte Information genutzt werden, um in Echtzeit die dann noch auftretenden geringen Änderungen der Strahlparameter bestimmen und korrigieren zu können.
Im Ergebnis kann so erreicht werden, dass etwa in einer Plasmalichtquelle der Laserstrahl hinsichtlich der Strahlparameter zugleich genau und schnell geführt werden kann, da z. B. thermisch induzierte Aberrationen umgehend korrigiert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Strahlaufspaltung unter Verwendung einer strahlaufspaltenden optischen Anordnung, welche sphärische Wellenfrontdeformationen des Strahls bewirkt. Der Erfindung liegt hier das weitere Konzept zugrunde, eine Wellenfrontbestimmung auf Basis einer durch sphärische Wellenfrontdeformationen des Strahls erzielten Aufspaltung in mehrere Teilstrahlen, denen unterschiedliche Fokuslagen zugeordnet sind, zu realisieren.
Dadurch, dass zur Strahlaufspaltung ausschließlich sphärische Wellenfrontdeformationen des Strahls durchgeführt werden, wird die Aufprägung eines zusätzlichen Koordinatensystems aufgrund der Messanordnung und damit eine unerwünschte Wechselwirkung bzw. Scherung eines solchen Koordinatensystems mit dem Koordinatensystem der Laserstrahlung vermieden. Hierbei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass eine sphärische Wellenfront aufgrund der an jedem Ort konstanten Krümmung kein Zentrum oder einen in irgendeiner Weise ausgezeichneten Ort besitzt, so dass durch eine in solcher Weise aufgebaute Messanordnung auch kein spezielles Koordinatensystem erzeugt, welches dem Koordinatensystem der Laserstrahlung aufgeprägt werden kann. Grundsätzlich kann ein ausschließlich sphärische Wellenfrontdeformationen des Strahls hervorrufendes optisches System aus Linsen, aber auch z. B. durch ein diffraktives optisches Element, aufgebaut werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die strahlaufspaltende optische Anordnung eine diffraktive Struktur auf.
Die Erfindung beinhaltet hier weiter das Konzept, durch Verwendung einer diffraktiven Struktur die von einer solchen diffraktiven Struktur erzeugte Mehrzahl von Fokuslagen, die den unterschiedlichen Beugungsordnungen der diffraktiven Struktur entsprechen, zur Realisierung des longitudinalen Fokusversatzes zu erzielen. Mit anderen Worten macht sich die Erfindung die üblicherweise unerwünschte Eigenschaft einer diffraktiven Linse, entsprechend den unterschiedlichen Beugungsordnungen voneinander verschiedene Fokuslagen zu erzeugen, gezielt zunutze, um einen zur Strahlanalyse erforderlichen longitudinalen Fokusversatz zu realisieren. Zugleich macht sich die Erfindung den weiteren Umstand zunutze, dass ein über den vorstehend genannten longitudinalen Fokusversatz hinaus zur Ermöglichung einer simultanen Aufzeichnung am Ort der Sensoranordnung notwendiger lateraler Versatz der Teilstrahlen vergleichsweise einfach über einen „Symmetriebruch” erreichbar ist, welcher z. B. durch eine einfache Dezentrierung der diffraktiven Struktur (entweder durch Versetzung in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene oder bereits durch entsprechendes Design der diffraktiven Struktur) erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische System eine Laserplasmaquelle.
Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern in vielen anderen Bereichen anwendbar. Eine Anwendung kann beispielsweise in der Lasermesstechnik erfolgen (z. B. überall dort, wo herkömmlicherweise Shack-Hartmann-Sensoren eingesetzt werden). Weitere vorteilhafte Anwendungen der Erfindung betreffen die Medizintechnik, die Materialbearbeitung und die Kommunikationstechnik.
Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Strahlanalyse in einem optischen System, mit wenigstens einer strahlaufspaltenden optischen Anordnung, welche eine Strahlaufspaltung eines im Betrieb auf die strahlaufspaltende optische Anordnung entlang der optischen Achse auftreffenden Strahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen bewirkt, welche einen Fokusversatz in bezogen auf die optische Achse longitudinaler Richtung aufweisen, und wenigstens einer Sensoranordnung zur Erfassung dieser Teilstrahlen, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ausgestaltet ist.
Zu Vorteilen sowie bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer in einem erfindungsgemäßen Verfahren beispielhaft verwendeten Messanordnung;
2a–2b eine schematische Darstellung (2a) bzw. ein Diagramm (2b) zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer beispielhaften Ausführungsform einer strahlaufspaltenden optischen Anordnung;
3 eine schematische Darstellung einer in einem erfindungsgemäßen Verfahren beispielhaft verwendeten Messanordnung in einer weiteren Ausführungsform;
4–5 schematische Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 schematische Darstellungen zur Erläuterung eines der Erfindung zugrundeliegenden Problems; und
7 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer EUV-Lichtquelle gemäß dem Stand der Technik.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß 1 trifft in einer beispielhaften Messanordnung ein von einer (nicht gezeigten) Laserlichtquelle erzeugter, zu analysierender Strahl von einer Teleskopeinheit 101 (welche in 1 u. a. einen Abschwächer 102 aufweist) zunächst auf einen optischen Strahlteiler 103, von welchem ein Teil des Strahls unmittelbar ausgekoppelt und auf eine Sensoranordnung 120 (z. B. in Form einer CMOS-Anordnung oder einer CCD-Anordnung) gelenkt wird. Der durch den Strahlteiler 103 transmittierte Anteil gelangt über Umlenkspiegel 104, 106 (zwischen denen ein weiterer Abschwächer 105 angeordnet ist) auf eine strahlaufspaltende optische Anordnung 110 und von dieser über einen weiteren Umlenkspiegel 107 auf die Sensoranordnung 120. Gemäß 1 wird somit zusätzlich zu dem über die strahlaufspaltende optische Anordnung 110 gelenkten Teil des Strahls erzeugten Fernfeldbild auch ein Nahfeldbild aufgezeichnet, welches durch den unmittelbar ausgekoppelten Teil des Strahls erzeugt wird. Dies hat wie schon erläutert den Vorteil, dass der Betrag der Amplitude bereits in unmittelbarer Form vorliegt und deshalb durch ein im Weiteren noch erläutertes Retrieval-Schema i. W. nur noch die Wellenfront bzw. die Phase der komplexen Amplitude bestimmt werden muss.
Die strahlaufspaltende optische Anordnung 110 weist im Ausführungsbeispiel wie in 2a angedeutet eine diffraktive Struktur 111 sowie ein refraktives optisches Element (refraktive Linse) 112 auf, welche hier monolithisch ausgebildet sind und gemeinsam ein multifokales optisches Element bilden. In einem konkreten Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem refraktiven optischen Element 112 um eine Plankonvexlinse handeln, wobei die diffraktive Struktur 111 auf der planen Fläche dieser Plankonvexlinse ausgebildet sein kann. In weiteren Ausführungsformen können diffraktive Struktur und refraktives optisches Element bzw. Linse auch separat und mit (vorzugsweise geringem) Abstand voneinander ausgestaltet sein. Grundsätzlich besitzt eine diffraktive Linse entsprechend den auftretenden Beugungsordnungen positive wie negative Brennweiten entsprechend
Darin bezeichnet f₁ die Brennweite der ersten positiven Beugungsordnung und k den Strahlindex bzw. die Beugungsordnung. Die Intensität des jeweiligen Fokus hängt dabei unmittelbar von der Ausführungs- und Approximationsform des zugrundeliegenden (näherungsweise parabolischen Phasenprofils) ab. In Kombination mit einer refraktiven Linse der Brennweite f₀ ergibt sich ein multifokales optisches System mit mehreren Nutzbrennweiten f_k, k = 0, ±1, ..., k_max, wobei bei Vernachlässigung des Abstandes zwischen der diffraktiven Struktur und der refraktiven Linse näherungsweise gilt
Dieser Zusammenhang ist in 2b für f₁ >> f₀ veranschaulicht.
Die Erfindung ist nicht auf die Ausgestaltung der strahlaufspaltenden optischen Anordnung 110 mit einer solchen diffraktiven Struktur beschränkt. Vielmehr kommt es bei der Ausgestaltung der strahlaufspaltenden optischen Anordnung darauf an, dass diese nach Möglichkeit sphärische Wellenfrontdeformationen des auf die strahlaufspaltende optische Anordnung auftreffenden Strahls bewirkt. In weiteren Ausführungsformen kann auch eine andere, hierzu geeignete strahlaufspaltende optische Anordnung, z. B. in Form eines Etalons, verwendet werden.
Die von der strahlaufspaltenden optischen Anordnung ausgehenden Teilstrahlen treffen – unter erneutem Bezug auf 1 – sodann auf die Sensoranordnung 120, auf welcher entsprechend dem Fokusversatz unterschiedliche Spot-Bilder erzeugt werden, deren Größe im gezeigten Beispiel in der Mitte bzw. im perfekten Fokus am kleinsten ist und zum Rand hin zunimmt. Die von der Sensoranordnung 120 erzeugte Aufnahme ist mit „121” bezeichnet.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Messanordnung, wobei zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „200” erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Ausführung von 3 unterscheidet sich von derjenigen aus 1 dadurch, dass hier eine diffraktive Struktur 310 in Form eines reflektiven Elements vorgesehen ist, wobei ferner ein sphärischer Umlenkspiegel 307 vorgesehen ist.
Grundsätzlich würde es die Aufnahme dieser einzelnen, jeweils unterschiedlichen Fokuslagen zugeordneten Spot-Bilder durch Anwendung bekannter, sogenannter „Phase Retrieval”-Verfahren (z. B. Gerchberg-Saxton-Algorithmus) erlauben, auf die Phase der Wellenfront zurückzurechnen, wenn die einzelnen Spot-Bilder voneinander unabhängig wären (also keine gegenseitige Beeinflussung durch Interferenz vorliegen würde). Vorliegend sind jedoch unvermeidliche Interferenzen zwischen den einzelnen Spot-Bildern vorhandenen, welche wie in 6 angedeutet zu einer ausgeprägten gegenseitigen Störung führen (wobei 6a ideale Spot-Bilder ohne Berücksichtigung der Interferenz und 6b reale Spot-Bilder mit Berücksichtigung der Interferenz zeigt).
Mathematisch bedeutet dieser Umstand, dass keine eindeutige Rücktransformation zur unmittelbaren Berechnung der Strahlparameter möglich ist. Um diesem Problem Rechnung zu tragen, werden gemäß der Erfindung in einem modellbasierten Ansatz iterativ Vergleiche zwischen jeweils berechneten bzw. simulierten Bildern und dem aufgenommenen Messbild durchgeführt, wie im Folgenden unter Bezug auf 4 und 5 beschrieben wird:
Wie in dem schematischen Diagramm von 4 angedeutet werden hierbei zunächst Schätzwerte für die gesuchten Strahlparameter zugrundegelegt (Schritt S410), wobei der entsprechende Parametersatz hier mit a₁, a₂, a₃, ... bezeichnet ist.
Bei diesen Parametern zur Beschreibung des Strahls kann es sich beispielsweise um Strahlgröße, Strahldezentrierung in x-Richtung, Strahldezentrierung in y-Richtung, Strahlneigung in x-Richtung, Strahlneigung in y-Richtung, Strahldivergenz, Astigmatismus in x-Richtung, Astigmatismus in y-Richtung, Koma in x-Richtung, Koma in y-Richtung und sphärische Aberration handeln. Hierbei kann ggf. auch eine Zernike-Parametrisierung erfolgen, um entsprechende Wellenfrontaberrationen auch höherer Ordnung zu beschreiben und zu ermitteln.
Sodann erfolgt eine Vorwärtssimulation (Schritt S420) zur Ermittlung eines berechneten Bildes. Diese Vorwärtssimulation umfasst gemäß 5 insbesondere eine Freiraumpropagation P₁ in Form einer Fouriertransformation vor der strahlaufspaltenden optischen Anordnung 110 bzw. 310 (bezogen auf die Lichtausbreitungsrichtung) und eine Freiraumpropagation P₂ ebenfalls in Form einer Fouriertransformation nach der strahlaufspaltenden optischen Anordnung 110 bzw. 310 (bezogen auf die Lichtausbreitungsrichtung), welche jeweils auf die komplexe Amplitudenfunktion
wirken.
Geht man von einer Strahlausbreitung in die positive z-Richtung aus, so ist die zu bestimmende Strahlamplitude (im Bereich der skalaren Beugung) in der Referenzebene (idealerweise Nahfeldebene) am Ort z₀ durch u(x, y|z₀) bezeichnet. Nach Durchlaufen der Freiraumstrecke zwischen der Referenzebene und der Ebene des wirksamen optischen Elementes (strahlaufspaltende optische Anordnung 110 bzw. diffraktive optische Struktur) liegt am Eintritt des die strahlaufspaltende optische Anordnung 110 bzw. 310 bildenden optischen Elements an der Position z₁ die Amplitude u(x, y|z_1–) = P ^₁u(x, y|z₀) = IFT_xy[Π(z₁ – z₀)·FT_xy[u(x, y|z₀)]] (3) vor. Das die strahlaufspaltende optische Anordnung 110 bzw. 310 bildende optische Element prägt in der Approximation des unendlich dünnen Elements multiplikativ die Amplitudenfunktion T(x, y) = t(x, y)·exp(iφ(x, y))u(x, y|z_1–) entsprechend u(x, y|z₁₊) = T(x, y)u(x, y|z_1–) (4) auf. Über eine weitere Freiraumpropagation vom die strahlaufspaltende optische Anordnung 110 bzw. 310 bildenden optischen Element zur Sensoranordnung 120 bzw. 320 (deren Ebene senkrecht zur z-Achse an der Position z₂ liegt) gelangt man schließlich zur Amplitude auf der Ebene der Sensoranordnung 120 bzw. 320 gemäß u(x, y|z₂) = P ^₂u(x, y|z₁₊) = IFT_xy[Π(z₂ – z₁)·FT_xy[u(x, y|z_1–)]] (5)
Den an der ortsauflösenden Sensoranordnung 120 bzw. 320 detektierten Intensitätsverlauf erhält man über die Bildung es Betragsquadrats gemäß I_Sensor(x, y) = |u(x, y|z₂)|² (6)
Der Propagator der Freiraumausbreitung ist aus dem Formalismus der Fourier-Optik bekannt. Bei der Propagation von einer Ebene senkrecht zur z-Achse bei der Position z' zu einer parallelen Ebene bei der Position z wird die Amplitude zunächst gemäß u ~(f_x, f_y|z') = FT_xy[u(x, y|z')] = ∫∫dxdyu(x, y|z')exp(–2πi(f_xx + f_yy)) (7) über die 2D-Fouriertransformation in den Frequenzraum transformiert und dort mit der Freiraumpropagationsfunktion Π(d|f_x, f_y) = exp(2πi d / λγ(f_x, f_y)) (8) über die Distanz d = z – z' multipliziert. Die Phase in der Propagationsfunktion ist dabei durch
gegeben, wobei f_x, f_y für die Ortsfrequenzen und λ für die Wellenlänge der Strahlung stehen. Zur Amplitude in der Ebene bei z im Ortsraum gelangt man schließlich durch Rücktransformation über die inverse Fourier-Transformation entsprechend
Das entsprechend berechnete Bild (enthaltend die berechneten Intensitätswerte I_calc) wird subtrahiert von dem aufgenommenen Messbild (enthaltend die gemessenen Intensitätswerte I_meas), woraufhin entsprechend modifizierte Modellparameter zur Beschreibung des Strahls ermittelt und einer erneuten Vorwärts-Simulation zugrundegelegt werden (Schritt S460 in 4). Hierbei wird eine Optimierung z. B. unter Anwendung eines Levenberg-Marquardt-Algorithmus durchgeführt. Daraufhin erfolgt gemäß 5 durch Vorwärtssimulation die erneute Ermittlung berechneter Intensitätswerte I_calc unter Erhalt eines neuen berechneten Bildes, wobei erneut die Differenz zwischen dem berechneten Bild und dem aufgenommenen Messbild ermittelt wird. Dies wird iterativ solange durchgeführt, bis die Differenz zwischen dem berechneten Bild und dem aufgenommenen Messbild ausreichend gering ist (bzw. einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet), woraufhin die entsprechenden Parameter zur Beschreibung des Strahls ausgegeben werden.
Insbesondere ist es wie schon erläutert vorteilhaft, wenn der Betrag der Amplitude aus der Nahfeldmessung vorliegt und nicht modellhaft beschrieben und angepasst werden muss. Dadurch wird einerseits die Zahl der beschreibenden Parameter ggf. erheblich reduziert und andererseits die Güte der über den zu vermessenden Strahl gewonnenen Information verbessert.
Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise weiter berücksichtigt, dass die Freigabe einer hohen Anzahl von Parametern zu einer hohen numerischen Komplexität führt. Somit erfolgt vorzugsweise zunächst ein Start mit einem vergleichsweise kleinen Umfang des Parametersatzes, wobei dann der Parametersatz hinsichtlich der simultan variierten Parameter sukzessive erweitert, also eine adaptive Anpassung des Modells vorgenommen wird. So kann etwa bei grundsätzlich gesuchten zwanzig Parametern zunächst eine Freigabe nur von zehn dominierenden Parametern erfolgen.
Des Weiteren kann z. B. nach Erreichen eines quasi-stationären Betriebs des jeweiligen Systems (z. B. einer weitgehend stabil betriebenen Plasmalichtquelle), in welchem typischerweise nur noch geringe Änderungen der Strahlparameter auftreten, auch die jeweilige Auswertemethode bzw. den Algorithmus angepasst werden, um eine möglichst hohe Geschwindigkeit bei der Strahlanalyse zu erzielen. Dabei kann insbesondere die bereits gesammelte Information genutzt werden, um in Echtzeit die dann noch auftretenden geringen Änderungen der Strahlparameter bestimmen und korrigieren zu können. In dieser Phase kann auch das ursprünglich nichtlineare Optimierungsproblem linear approximierbar sein. Im Ergebnis kann so erreicht werden, dass etwa in einer Plasmalichtquelle der Laserstrahl hinsichtlich der Strahlparameter zugleich genau und schnell geführt werden kann.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z. B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/113713 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Strahlanalyse in einem optischen System, wobei eine Mehrzahl von Strahlparametern eines sich entlang einer optischen Achse (OA) ausbreitenden Strahls ermittelt werden, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Aufspalten des Strahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen, welche einen Fokusversatz in bezogen auf die optische Achse (OA) longitudinaler Richtung aufweisen; b) Aufnehmen eines durch diese Teilstrahlen erzeugten Messbildes; c) Durchführen einer Vorwärtssimulation des Strahls in dem optischen System auf Basis geschätzter Anfangswerte für die Strahlparameter zum Erhalt eines simulierten Bildes; und d) Berechnen eines Satzes von Werten für die Strahlparameter auf Basis eines Vergleichs zwischen dem simulierten Bild und dem Messbild.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter folgende Schritte aufweist: e) Iteratives Durchführen der Schritte c) und d), wobei die jeweils berechneten Werte für die Strahlparameter einer jeweils nachfolgenden Vorwärtssimulation zugrundegelegt werden; und f) Ausgeben von durch die Iteration im Schritt e) ermittelten Ausgabewerten für die Strahlparameter.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Laufe der iterativen Durchführung der Schritte c) und d) die Anzahl der variierten Strahlparameter variiert, insbesondere reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Laufe der iterativen Durchführung der Schritte c) und d) ein bei dieser Iteration angewendeter Algorithmus variiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ferner den Schritt der Aufnahme eines durch den Strahl erzeugten Nahfeldbildes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme dieses Nahfeldbildes und die Aufnahme eines dem durch die Teilstrahlen erzeugten Messbild entsprechenden Fernfeldbildes simultan erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Strahlparametern wenigstens einen der Parameter Strahlgröße, Strahldezentrierung, Strahlneigung, Strahldivergenz, Astigmatismus, Koma, sphärische Aberration umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis der Ausgabewerte für die Strahlparameter eine Manipulation des Strahls unter Anpassung wenigstens eines der Strahlparameter erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgeben der Ausgabewerte und die Manipulation des Strahls unter Anpassung wenigstens eines der Strahlparameter in Echtzeit während des Betriebs des optischen Systems erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlaufspaltung im Schritt a) unter Verwendung einer strahlaufspaltenden optischen Anordnung (110, 310) erfolgt, welche sphärische Wellenfrontdeformationen des Strahls bewirkt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlaufspaltende optische Anordnung (110, 310) eine diffraktive Struktur aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl ein Laserstrahl ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System eine Laserplasmaquelle ist.
Vorrichtung zur Strahlanalyse in einem optischen System, mit wenigstens einer strahlaufspaltenden optischen Anordnung (110, 310), welche eine Strahlaufspaltung eines im Betrieb auf die strahlaufspaltende optische Anordnung entlang der optischen Achse (OA) auftreffenden Strahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen bewirkt, welche einen Fokusversatz in bezogen auf die optische Achse longitudinaler Richtung aufweisen, und wenigstens einer Sensoranordnung (120, 320) zur Erfassung dieser Teilstrahlen, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgestaltet ist.