Ingenieurwissen. wie F-Theta-Objektiven und Strahlaufweitungssystemen,

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1 OPTIK Ingenieurwissen UV-Licht HERAUSFORDERUNG AN OPTISCHE SYSTEME Ultrviolettes Licht gewinnt in vielen Hightech-Anwendungen, etw in der Hlleiterproduktion, n Bedeutung. Um es nutzen zu können, sind optische Komponenten und Systeme nötig, welche die esonderen Anforderungen des UV-Spektrums erfüllen. Optikentwickler ruchen spezielle Kenntnisse und müssen die Techniken zum Herstellen und Vermessen dieser Optiken eherrschen. THOMAS THÖNISS STEFAN MEWES Optische Systeme für ultrviolettes Licht unterhl von zirk 400 nm hen seit Lngem eknnte Einstzgeiete: die optische Detektion von elektrischen Entldungen (Solr-Blind-Verfhren), die Kriminlistik (Crime-Scene Inspection) oder die spektroskopische Anlytik. In den letzten Jhren eroerte UV- Licht uch ndere klssische Anwendungen optischer Systeme, eispielsweise die industrielle Inspektion oder die Lsermterilereitung. Ein nderes Hightech-Geiet, die Mikrochipherstellung, ist ohne UV-Licht nicht denkr. Der Kmpf um größere Speicherkpzitäten mithilfe kleinerer Hlleiterstrukturen ist direkt verknüpft mit der Verwendung von Licht mit immer kürzeren Wellenlängen (Bild 1). Vor diesem Hintergrund lohnt es sich, ds ultrviolette Spektrum näher zu etrchten. Optische Systeme für den UV-Bereich lssen sich in zwei Ktegorien einteilen: Breitnd- und Schmlndsysteme. Breitndsysteme kommen ei der Verwendung c 1 Simultion der Auflösungssteigerung mittels Verringerung der Wellenlänge: Aildung einer Teststruktur ei () 1064 nm, () 532 nm und (c) 266 nm durch ein ildungsfehlerfreies optisches System von reitndigen Lichtquellen wie Xenonlmpen zum Einstz. Ds Spektrum knn sich weit üer den eigentlichen UV- Bereich hinus üer sichtres Licht is hin zum nhen Infrrot erstrecken. Eine typische Anwendung ist die Inspektion von Wferoerflächen mittels Streulichtuswertung. Dfür sind hochuflösende ildende optische Systeme erforderlich, die oftmls hinsichtlich ihrer optischen Anforderungen klssischen Mikroskopojektiven ähneln. Die zweite Ktegorie umfsst Systeme, die für spezifische (Lser-) Wellenlängen entwickelt werden. Ein Anwendungsgeiet von schmlndigen, hochuflösenden Systemen ist wiederum die (Schmlnd-) Wferinspektion. Ein weiteres wichtiges Einstzfeld von UV-Optiken ist die Lsermterilereitung. Mit geeigneten Lserlichtquellen und optischen Systemen, wie F-Thet-Ojektiven und Strhlufweitungssystemen, werden in der Elektronik Leiterpltten (Printed-Circuit Bords, PCBs) strukturiert. Die Motivtion, Licht mit immer kürzerer Wellenlänge einzusetzen, liegt drin egründet, die Auflösung der gennnten Verfhren zu steigern, eispielsweise um immer feinere Strukturen zu erzeugen oder zu erkennen. Dem Beugungsgesetz der Optik folgend knn eine höhere Auflösung nur erreicht werden, wenn entweder die Öffnung des optischen Systems vergrößert oder die Wellenlänge verringert wird. Aus technischer Sicht sind höhere Öffnungen zumeist schon usgereizt oder häufig nicht sinnvoll relisierr. Also leit nur die Verringerung der Wellenlänge. Beispiele für UV-Ojektive zeigt Bild 2. Herusforderung n die Optikdesigner Optische Systeme erlngen ihre hohe Aildungsleistung unter nderem, indem mn optische Mterilien mit verschiedenen Brechungsindizes und Dispersionen sinnvoll miteinnder kominiert. Im Gegenstz zum sichtren Spektrum stehen dem Optikrechner im Ultrvioletten nur wenige Kristllmterilien für die Auslegung optischer Systeme zur Verfügung. Ursche ist die Trnsmissionsgrenze der optischen Gläser ei etw 330 nm. Die typischen UV-Mterilien, wie Qurz (SiO 2 ) und Klziumfluorid (CF 2 ), esitzen eine vergleichsweise sehr geringe Brechzhl. Um lso die gleiche zerstreuende oder smmelnde Wirkung wie ei einer Linse us einem hochrechenden Flintgls zu erzeugen, müssen die Krümmungsrdien der jeweiligen Linse strk ngespnnt oder die Wirkung durch mehrere Komponenten erzielt werden. 18

2 OPTIK Die Korrektion der chromtischen Aildungsfehler ist ein weiterer wesentlicher Aspekt nicht nur ei der Auslegung optischer Systeme für einen reiten Spektrlereich. Auch ei hochuflösenden schmlndigen Lsersystemen knn llein die Bndreite des Lsers oder die schwnkende Zentrlwellenlänge im Bereich von wenigen Pikometern schon zu einem deutlichen Verfll der Auflösung führen. Nicht selten müssen dher uch schon diese Systeme frkorrigiert werden. Wirkungsvolle Spiegelsysteme Der Einstz von Pilot- oder Autofokuswellenlängen im sichtren oder IR- Spektrum mcht eenflls eine Frkorrektion notwendig. Die eiden Huptmterilien Qurz und CF 2 schränken mit ihren Dispersionseigenschften die Korrektionsmöglichkeit von Frfehlern gerde ei Breitndsystemen strk ein. Andere UVtrnsprente Mterilien, wie LiF, sind Ein weiteres wichtiges Korrektionswerkzeug fehlt dem Optikrechner eim Auslegen von UV-Optiken ds Verkitten zweier optisch wirksmer Flächen von Linsen us unterschiedlichen Mterilien. Optische Kitte, die im UV trnsprent und lngzeitstil sind und nicht usgsen oder ltern, stehen in der Regel nicht zur Verfügung. Alterntiv dzu können die optischen Elemente möglichst dicht neinnder positioniert werden, woei ein minimler Luftsplt verleit. Ds stellt für die Konstruktion und Fertigung derrtiger Systeme eine esondere Herusforderung dr, uf die im Folgenden noch eingegngen wird [1]. UV-Systeme stellen den Anspruch höchster Auflösung. Auftretendes Streulicht, ufgrund von Oerflächenstreuung n den optisch wirksmen Flächen oder durch Reflexion n Fssungselementen, knn ei ildenden Systemen vom Detektor ls Flschsignl ufgenommen werden. Die Folge ist ds Hersetzen des Bildkontrsts. Hochuflösende Systeme werden somit neen der 2 Beispiel für ein UV-VIS-Breitndkmerojektiv für 240 is 700 nm () und ein hochuflösendes Long-Distnce-Inspektionsojektiv für 266 nm () wegen ihrer Mterileigenschften nur mit einem sehr hohen technologischen Aufwnd einsetzr. Unterhl von etw 130 nm sorieren uch die optischen Kristlle, sodss nur noch Spiegelsysteme für die Relisierung von Optiken infrge kommen. Spiegelsysteme (Bild 3) sind generell eine interessnte Alterntive zu refrktiven Optiken. Spiegelojektive hen keine Frfehler und können somit je nch Spiegelschicht üer einen großen Spektrlereich schml- oder reitndig eingesetzt werden. Beispielsweise zeichnen sich die in der Mikroinspektion häufig eingesetzten Spiegelojektive des Schwrzschild-Typs doppelt us: durch ihre vergleichsweise großen Areitsstände und durch eine hohe Trnsprenz ufgrund ihrer wenigen Flächen. eigentlichen optischen Korrektion uch einer Optimierung des Flschlichts unterzogen. Im Gegenstz zum klssischen Optikdesign kommen hier spezielle Softwrepkete oder Module zum Einstz die nichtsequenziellen Rytrcer wie Trce- Pro von Lmd Reserch (Bild 3). Herusforderung Optikfertigung und Coting Optische UV-Mterilien zu ereiten, ist eine esonders nspruchsvolle Aufge. Mterilien wie Klziumfluorid sind sehr empfindlich und neigen zu Mikrorissen und Aussprüngen. Sie können nicht mit herkömmlichen Poliermitteln ereitet werden. Trotz sorgfältigsten Läppens oder Polierens der optischen Komponenten verleit nch dem Prozess in jedem Fll V Lser+Photonik 19

3 3 UV-VIS-Spiegelojektiv (); Untersuchung der Streulichtverteilung in einem Spiegelojektiv mittels nichtsequenziellen Rytrcings mit der Softwre TrcePro () V eine Restruigkeit der optischen Oerflächen. Bei ildenden Systemen für sichtres Licht liegen typische Oerflächenruheiten zwischen 1 und 2 nm. Der Anteil des n dieser Mikrostruktur gestreuten Lichts ist im Vergleich zum Nutzlicht, ds zur Aildung eiträgt, verschwindend gering. Der Trnsmissionsverlust und die Kontrstminderung hlten sich in vertretren Grenzen. Ds Streuvermögen einer Oerfläche steigt jedoch mit nehmender Wellenlänge strk n [2]. Dieser Umstnd mcht eine esondere Güte der Oerflächen notwendig. Durch spezielle ufwendige, zum Teil mehrstufige Polierverfhren (Superpolishing) werden somit Mikroruigkeiten von 1 is 0,1 nm erreicht. Wie ei den optischen Werkstoffen steigen uch ei den meisten Aufdmpfmterilien die Asorptionsverluste im UV strk n. Dmit sinken sowohl die Gesmttrnsmission des optischen Systems ls uch die Zerstörschwellen der Einzelkomponenten. Die Herusforderung ei der Vergütung von Optiken mit reflexionsmindernden oder hochreflektierenden Beschichtungen ei kürzeren Wellenlängen esteht dher wie eim Optikdesign uch in der deutlich reduzierten Anzhl von nutzren Schichtmterilien. Typische oxidische Aufdmpfmterilien für sichtre Wellenlängen scheiden für viele UV-Anwendung us, d sie ei 193 nm schon deutliche Asorptionsverluste ufweisen. Konventionell ufgedmpfte, fluoridische Mterilien können die Asorption verringern, jedoch neigen sie ufgrund ihrer Chrkteristik eim Schichtwchstum (Schichtmorphologie) zu erhöhter Streuung und zur Bildung von Mikrorissen. Die Folge der eingeschränkten Mteriluswhl ei kürzeren Wellenlängen und des großen spektrlen Bereichs ei Breitndsystemen sind immer komplexere Schichtdesigns, um dennoch eine hohe Trnsprenz oder ei Spiegelsystemen eine hohe Reflektivität zu gewährleisten (Bild 4). Auch die Anforderungen n den Beschichtungsprozess selst steigen, d dieser die Oerflächenqulität (Suerkeit, Mikroruigkeit) und die Oerflächenform (Psse) der optischen Buelemente entscheidend eeinflussen knn. Die hohe Aildungsgüte der Systeme erfordert optische Buelemente mit einer Oerflächengenuigkeit von zum Teil weit unterhl λ/10. Die Vergütungsprozesse müssen so optimiert sein, dss diese hohe Oerflächengüte uch nch der Beschichtung erhlten leit. Präzise Fssungstechnik Die hohen Anforderungen n die Leistung von optischen Systemen mchen generell eine präzise Fssungstechnik unverzichtr, d kleinste Lgefehler zum deutlichen Verlust der Aildungsqulität führen. UV-Systeme unterliegen zusätzlichen Herusforderungen. Im vorngegngenen Aschnitt wurde ereits erwähnt, dss ei refrktiven UV-Systemen dünnste Luftsplte erforderlich sind. Diese zum Teil nur wenige Mikrometer dünnen Splte zwischen einzelnen optisch wirksmen Flächen sind extrem empfindlich: Herkömmliche Lgefehler edingt durch Fertigungstolernzen der optischen Elemente und Einutolernzen wie longitudinler, lterler Verstz und Verkippung ei der Montge können schon in der Größen- KONTAKT Linos Photonics GmH & Co. KG, D Göttingen, Tel. +49 (0) 5 51 / , Fx +49 (0) 5 51 / ,

4 OPTIK AR-Coting R 20 % Superreitnd- Antireflexeschichtung von 220 is 950 nm nm 1020 λ Lser+Photonik ordnung des eigentlichen Luftstnds liegen. Die Fertigungstolernzen der mechnischen Fssungselemente und der optischen Buteile weiter zu verringern, ist nicht sinnvoll. Um dennoch eine hohe Aildungsleistung zu grntieren, sind ei der Montge derrtiger Systeme Speziltechniken notwendig. Zum einen können optische Komponenten oder Teilsysteme eines Ojektivs unter entsprechender Beochtung der Aildungsqulität justiert werden. Hierzu werden optische Komponenten im Optikdesign usgesucht, die einen gezielten Einfluss uf estimmte Aildungsfehler hen. Diese Elemente fließen so in die Konstruktion ein, dss sie sich definiert lterl oder longitudinl verschieen und nch der Justge fixieren lssen (Bild 5). Diese Justgeverfhren sind zum Teil sehr ufwendig. Ein weiteres Verfhren ist schon seit Lngem us der Mikroskopojektivherstellung eknnt. Einzelne Linsen eines Systems werden in eigene Sufssungen montiert (Bild 5). Diese Fssungen werden uf Spezilmschinen optisch usgerichtet und der Fssungsdurchmesser sowie die Fssungslänge durch Dimntdrehverfhren mit höchster Genuigkeit ereitet. Somit esitzen die einzelnen sugefssten optischen Elemente eine hohe definierte Grundgenuigkeit. Werden diese Elemente nun in einer präzisen zylindrischen Außenfssung ufgenommen, lässt ds so entstndene optische System schon eine hohe Aildungsleistung erwrten. Zusätzliche Justgeschritte lssen eine weitere Optimierung der Aildungsleistung zu. Nmhfte deutsche Firmen und Institute hen diese Technik in einem nspruchsvollen Förderprojekt zu höchster Präzision getrieen. Typische Tolernzen reichen nch modernster Bereitung is unter 1 µm [3]. Eine ndere Herusforderung ist ds Fixieren der optischen Elemente in der Fssung. Bei einfchen Systemen kommen lediglich Vorschruringe zum Einstz, die die jeweilige Linse in ihrem Linsensitz mit einer hinreichenden Genuigkeit fixiert. Diese Genuigkeit reicht für hochnspruchsvolle Systeme ei Weitem V 5 Fssungseispiele mit () klssischer Pssspielmontge und () Präzisionsfssungstechnik mit sugefssten Optikkomponenten Lser+Photonik 21

5 OPTIK Ingenieurwissen Aufu zur Wellenfrontmessung Concve reference mirror Clirtion plte Entrnce/ exit pupil Lens under test V nicht us. Ds ei Systemen für den sichtren Bereich üliche Fixieren der Linsen mittels Justierkleen unter optischer Beochtung ist im UV oftmls nicht zulässig. Die orgnischen Kleemterilien sind in derrtigen Systemen direktem oder gestreutem UV-Licht usgesetzt; sieunterliegen einer eschleunigten Alterung und gsen us. Ds Ausgsen knn wiederum zu lichtsorierendem Niederschlg uf den optischen Komponenten führen. Aus diesem Grund sind spezielle präzise Fssungstechniken notwendig, die ohne Klestoffe uskommen. D optische Kristlle wie Klziumfluorid uf mechnische Belstung empfindlich regieren, müssen die Konstrukteure uf entsprechend spnnungsrme Verfhren zurückgreifen. Messtechnik für ds ultrviolette Spektrum Collimting lens Wve front mesuring system Bem expnder Conjugted pupil plne Focusing lens 6 Schem des ei Linos relisierten Wellenfrontmesssystems für UV-Anwendungen zur Vermessung von hochuflösenden Ojektiven Bem splitter Shck-Hrtmn sensor Fier collimtor Die optische Aildungsleistung wird ei ildenden Systemen in der Regel durch die Ermittlung der Modultionstrnsferfunktion (MTF) uf der Bsis von Punktoder Kntenilduswertung estimmt. Dieses klssische Verfhren ist ei UV-Systemen nur edingt nwendr. Zum einen existieren kum kommerzielle Messvorrichtungen zur MTF-Messung im UV, und zum nderen ist die Auflösung derrt hoch, dss dieses Messverfhren uch n seine physiklischen Grenzen stößt [4]. Die Auswertung der Wellenfront, die ds zu testende optische System erzeugt, ist ein üliches Verfhren, um eispielsweise hochuflösende Mikroskopojektive zu eurteilen. Hierzu werden Interferometer verwendet, die für eine spezifische Wellenlänge usgelegt sind. Ds Beurteilen von Systemen üer einen größeren Spektrlereich oder ei mehreren diskreten Wellenlängen ist im Allgemeinen nicht möglich oder sehr ufwendig. Eine sinnvolle Alterntive ist die Wellenfrontmessung mit Wellenfrontsensoren nch dem Hrtmnn-Shck-Prinzip [5, 6]. Derrtige Sensoren sind zum einen ufgrund ihres prinzipiellen Aufus weniger kostspielig und zum nderen durch ihre rousten Auswerteverfhren üer einen größeren Spektrlereich nutzr. Die Anpssung derrtiger Sensoren uf ndere Spektrlereiche ist eenflls mit vertretrem Aufwnd möglich. Linos ht ei der Umsetzung eines Systems zur Vermessung hochwertiger Systeme Prinzipien us der klssischen Interferometrie und der Hrtmnn-Shck-Methode miteinnder kominiert (Bild 6). So werden optische Systeme im doppelten Durchgng von einer Welle durchlufen. Der Rückluf wird mittels Reflexion n einer hochgenuen Fläche eispielsweise einer Hohlsphäre relisiert. Die eigentliche Auswertung der Welle nimmt letztendlich ein Hrtmnn- Shck-Sensor vor. Fzit: Koopertionen und Förderprojekte nötig Ohne Spezilkenntnisse und -technologien ist die Herstellung von optischen Systemen für ds UV undenkr. Die technischen Herusforderungen wchsen, d der Trend zu immer kürzeren Wellenlängen und höheren Auflösungen sich uch künftig fortsetzen wird. So reiten schon jetzt nmhfte Institute Fier/pinhole und Unternehmen wie ds Frunhofer-Institut für Angewndte Optik und Feinmechnik in Jen n den nächsten Genertionen optischer Systeme für ds EUV/XUV is n den Rnd des weichen Röntgenlichts. Hier kommen nur noch Spiegelsysteme mit speziell polierten und eschichteten Flächen zum Einstz [7]. Weitere dmit verundene Proleme, wie ds Vermeiden von Fotokontmintion durch ds schgerechte Hndling optischer Komponenten für diesen Bereich, sind islng wenig eschrieen worden. Der Hupttreier für derrtige Systeme ist derzeit die EUV- Lithogrfie. Der technologische Aufwnd für diese Systeme ist ernorm und von einzelnen Unternehmen kum zu ewältigen. Die Koopertion zwischen verschiedenen Firmen und Instituten ist undingr und die Unterstützung von Projekten uf diesem Geiet durch entsprechende Förderprogrmme wünschenswert. Lser+Photonik AUTOREN THOMAS THÖNISS leitet die Entwicklungsteilung, und STEFAN MEWES ist Entwicklungsingenieur und Projektleiter ei Linos in Göttingen. LITERATUR 1 C. Gunkel, T. Sure: Mikroskopojektiv-Fertigung: uf dem Weg von der Mikrometerskl zur Nnotechnologie ; Jhruch für Optik und Feinmechnik, Schiele & Schön (2004), S J. M. Bennett, L. Mttsson: Introduction to Surfce Roughness nd Scttering ; Opticl Society of Americ, June FERMI: BMBF-Förderprojekt innerhl des Rhmenkonzepts Forschung für die Produktion von morgen (02PD540-44); Projektträger: Forschungszentrum Krlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien 4 J. Heil, J. Wesner, W. Müller, T. Sure: Artificil str test y rel-time video hologrphy for djustment of high-numericl-perture micro-ojectives ; Applied Optics Vol. 42, No 25 (2003), S J. Pfund, M. Beyerlein, J. Schwider: Der Shck-Hrtmnn-Sensor ; Lser+Photonik 2 (2003), S A. Fulstich: Optische Vermessung mit Wellenfrontsensoren ; tm Technisches Messen 4 (1998), S N. Kiser: Neue Entwicklungen uf dem Geiet optischer Schichten ; Photonik 6 (2006), S