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Neuartiges Konzept zur Speckle-Unterdrückung für ein 193nm-Mikroskop entwickelt und erfolgreich getestet

03.02.2010

Der Einsatz von Lasern als Lichtquelle für abbildende Systeme wird im Allgemeinen durch die Kohärenz der Laserstrahlung beeinträchtigt, welche zu unerwünschten „Speckle“-Mustern im Bild führen kann. Da bei einem in der PTB im Aufbau befindlichen 193nm-Mikroskop Excimeren-Laser-Strahlung zur Beleuchtung eingesetzt werden soll, sind geeignete Verfahren zur Unterdrückung von Speckle-Artefakten notwendig.

Herkömmliche Verfahren zur Reduzierung von Kohärenzeffekten, die für die Mikroskopie mit Dauerstrich-Lasern entwickelt wurden, lassen sich i. a. nicht für gepulste Laserbeleuchtung dieser Art anwenden. So ist beispielsweise die Kohärenzreduktion mittels rotierender Streuscheiben mit typischer Rotationsfrequenz im kHz-Bereich praktisch unwirksam, wenn wie im vorliegenden Fall die verwendete Laserstrahlung Pulsdauern von einigen 10 ns aufweist. Ein einfacher Weg zur Unterdrückung von störenden Speckle-Artefakten bei gepulster Laserstrahlung ist es, über viele Pulse zu integrieren, sofern die Pulse untereinander jeweils unkorreliert sind. Allerdings würde dies bei Lasern mit niedriger Repetitionsrate, wie z. B. bei Excimeren-Lasern, zu einer langen Bildaufnahmezeit führen. Um mechanische Driftprobleme zu vermeiden. wäre eine sehr hohe mechanische Stabilität des Aufbaus erforderlich. Speziell für Excimerenlaser gibt es bekannte und patentierte Verfahren zur Kohärenzunterdrückung, die auf der zeitlichen Streckung der Pulse – z. B. durch die Kombination von Stufenspiegeln mit Mikrolinsenarrays - beruhen. Bei herkömmlichen Excimeren-Lasern sind diese Verfahren gut wirksam, da die zeitliche Kohärenzlänge von typischer Weise etwa 100 µm relativ klein ist.
Das Mikroskopobjektiv, welches im 193nm-Mikroskop eingesetzt werden wird, ist jedoch sehr schmalbandig, d. h. es ist für eine genau definierte Wellenlänge in einem sehr schmalen Bereich korrigiert. Daher wird die vom Excimerenlaser emittierte Strahlung spektral eingeengt, woraus eine verhältnismäßig große zeitliche Kohärenzlänge von etwa 7 mm resultiert. Für diese Strahlparameter sind daher die genannten Verfahren zur Kohärenzreduktion unpraktikabel oder sogar ungeeignet.
Für das 193nm-Mikroskop der PTB wurde daher ein neuartiges Verfahren zur Unterdrückung von Speckle-Effekten für gepulste Laserstrahlung entwickelt. Dabei wird die Moden-Dispersion in einer Multimode-Faser ausgenutzt. Mit Hilfe von numerischen Ray-tracing-Simulationen wurde insbesondere der Einfluss der äquivalenten Einkopplungsapparatur des Faserübertragungssystems auf die Homogenität der ausgeleuchteten Apertur untersucht. Ein Testaufbau wurde im Reinraumzentrum der PTB realisiert und die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Verfahrens überprüft. Im Experiment wird eine 2 Meter lange Stufenindex-Multimode-Faser mit einer nominalen numerischen Apertur von 0,22 ± 0,02 genutzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Inhomogenität der Beleuchtung sowohl in der Eintrittspupille als auch in der Objektebene des Mikroskops kleiner als 1,4 % (rms-Wert) beträgt, so dass sogar bei Einzelpuls-Beleuchtung nahezu speckle-freie Bilder möglich sind.

 

Gemessene Intensitätsverteilung in der Eintrittspupille des Kondensors. Die specklefreie Verteilung zeigt eine Inhomogenität von 1,4 %.

 

Literatur:

 [1]       Z. Li, F. Pilarski, D. Bergmann, B. Bodermann: A 193 nm optical CD metrology tool for the 32 nm node, Proc. SPIE 7488, 74881J (2009)