DE60026885T2

DE60026885T2 - SPANNUNGSDOPPELBRECHUNGSPLATTE AUS CALCIUMFLUORID (CaF2) SOWIE ZUGEHÖRIGES HERSTELLUNGSVERFAHREN

Info

Publication number: DE60026885T2
Application number: DE60026885T
Authority: DE
Inventors: Jay Gene New Haven MARTIN
Original assignee: ASML Holding NV
Current assignee: ASML Holding NV
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2003519401A; KR100723561B1; EP1242836A1; JP4210058B2; EP1242836B1; DE60026885D1; AU2443001A; US6324003B1; WO2001050161A1; WO2001050161A9; KR20020077370A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Spannungsplättchen, die für die Verzögerung optischer Wellenfronten verwendet werden, und Verfahren, dieselben herzustellen.
Verwandter Stand der Technik
Viele Halbleiter-Herstellungssysteme verwenden Fotolithografietechniken bei der Herstellung von Halbleiterwafern. Während der Herstellung werden eine oder mehrere Schichten von Schaltungsmustern auf einem Halbleiterwafer aufgebracht. Dieses wird durch Ausleuchten einer Maske mit Licht ausgeführt, wobei die Maske ein gewünschtes Schaltungsmuster enthält. Das resultierende Maskenbild wird dann auf fotosensitiven Fotolack projiziert, der den Halbleiterwafer bedeckt. Nach einer Reihe von Belichtungen und nachfolgenden Verarbeitungen ist ein Halbleiterwafer, der das gewünschte Schaltungsmuster besitzt, hergestellt.
Es ist gut bekannt, dass das kleinste Element, das auf dem Halbleiterwafer hergestellt werden kann, durch die optische Wellenlänge des Lichtes begrenzt ist, das in dem Ausleuchtungssystem verwendet wird. Es ist ebenso bekannt, dass die obere Grenze einer Schaltungstaktgeschwindigkeit invers mit der Größe der Halbleiterelemente variiert. Daher erfordert der Bedarf an höheren Taktgeschwindigkeiten, dass Halbleiter kleinere Schaltungselemente besitzen. Schaltungselemente von 0,25 μm (Mikrometer) sind mit Fotolithografiesystemen erreicht worden, die Lichtwellenlängen von 193 nm (Nanometer) verwenden. Um Geometrien unterhalb von 0,25 μm zu erreichen, müssen sogar noch kleinere Wellenlängen (z. B. 157 nm) verwendet werden.
Das Ausleuchtungssystem, das bei der Fotolithografie verwendet wird, schließt verschiedene optische Komponenten, die Licht verändern, um ein Maskenbild auf den Halbleiterwafer zu projizieren, ein. Eine verbreitete Komponente in dem Ausleuchtungssystem ist ein Plättchen für die optische Verzögerung (auch Spannungsplättchen genannt). Spannungsplättchen können verwendet werden, um eine Lichtwellenfront um einen bestimmten Betrag zu verzögern oder zu retardieren. Spannungsplättchen können ebenso verwendet werden, um die Polarisation von Licht von einer Polarisation zu einer anderen zu ändern. Zum Beispiel konvertiert ein 1/4 (Viertel) Wellen-Spannungsplättchen, das gegenüber dem einfallenden Licht um 45° gedreht ist, linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht und umgekehrt. In einem weiteren Beispiel wird horizontal polarisiertes Licht in vertikal polarisiertes Licht durch Verwendung eines 1/4-Wellen-Spannungsplättchens und eines Spiegels konvertiert. Dieses geschieht dadurch, dass das horizontal polarisierte Licht durch das 1/4-Wellen-Spannungsplättchen gestrahlt wird, um zirkular polarisiertes (CP-) Licht zu erzeugen. Das CP-Licht wird dann von dem Spiegel reflektiert, um die CP-Polarisation umzukehren. Schließlich wird das reflektierte CP-Licht durch das 1/4-Wellen-Spannungsplättchen zurück geschickt, um vertikal polarisiertes Licht zu erzeugen.
Damit ein Spannungsplättchen wie gewünscht funktioniert, muss es aus einem Material hergestellt sein, das hinreichend viel Licht der gewünschten Wellenlänge durchlässt. Herkömmliche Spannungsplättchen sind aus Quarzglas oder künstlichem Quarz hergestellt. Diese herkömmlichen Materialien lassen Licht bei Wellenlängen unterhalb von 193 nm nicht hinreichend durch. Wie oben bemerkt, ist das kleinste Element, das auf dem Halbleiterwafer hergestellt werden kann, durch die optische Wellenlänge des Lichts beschränkt, das in dem System verwendet wird. Als solches kann ein fotolithografisches System, das herkömmliche Spannungsplättchen verwendet, Elemente herstellen, die nicht kleiner als ungefähr 0,25 μm sind. Daher besteht ein Bedarf an einem Spannungsplättchen, das bei optischen Wellenlängen arbeitet, die unterhalb von 193 nm (einschließlich 157 nm) liegen, um die Herstellung von Halbleiterwafern zu unterstützen, die Schaltungselemente aufweisen, die kleiner als 0.25 μm sind.
Die US 3600611 offenbart ein Spannungsplättchen, das CaF₂ umfasst.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Calciumfluorid (CaF₂)-Spannungsplättchen und ein Verfahren für die Herstellung desselben, wie in den angehängten Ansprüchen definiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Struktur und Arbeitsweise verschiedener Ausführungsformen der Erfindung werden unten ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnung, in der ein Element zuerst auftritt, wird typischerweise durch das Zeichen (die Zeichen) und/oder die Zahlen) ganz links in dem entsprechenden Bezugszeichen angezeigt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Zeichnung eines Ausleuchtungssystems veranschaulicht, das eine beispielhafte Ausführung für die vorliegende Erfindung darstellt;
2A ein CaF₂-Spannungsplättchen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2B eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur für CaF₂ veranschaulicht;
3 ein Flussdiagramm 300 für die Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens unter Verwendung von Kompressions- und/oder Zugkräften gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine Probe von unverarbeitetem CaF₂, die entlang von Bruchebenen orientier ist, die ein CaF₂-Plättchen enthält, das entlang kubischer Ebenen orientiert ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
5 ein Flussdiagramm 500 für die Verarbeitung einer Probe von CaF₂, um ein CaF₂-Plättchen herzustellen, das entlang kubischer Ebenen orientiert ist, zu erzeugen, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6A ein CaF₂-Plättchen, das entlang der kubischen Ebenen orientiert ist, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
6B–6G verschiedene Kombinationen der Anwendung von Kompressions- und/oder Zugkräften senkrecht zu kubischen CaF₂-Ebenen, um eine gewünschte optische Verzögerung zu erzeugen, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
7 ein Messsystem 700 zum Messen eines 90-Grad-Spannungsplättchens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
8 ein Flussdiagramm 800 zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens unter Verwendung von Scherkräften gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
9 ein Flussdiagramm 900 für die Verarbeitung einer Probe von CaF₂ zum Herstellen eines CaF₂-Plättchens, das mechanische Flächen aufweist, die um 45 Grad um die Transmissionsachse relativ zu den kubischen CaF₂-Ebenen gedreht sind, gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
10A ein CaF₂-Plättchen veranschaulicht, das mechanische Flächen aufweist, die um 45 Grad relativ zu den kubischen CaF₂-Ebenen gedreht sind; und
10B–10C verschiedene Ausführungsformen für das Anwenden von Scherkräften entlang (oder benachbart zu) kubischen CaF₂-Ebenen, um eine optische Verzögerung zu implementieren, gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1. Beispielumgebung
Vor einer ausführlichen Beschreibung der Erfindung ist es nützlich, eine Beispielumgebung der Erfindung zu beschreiben. Eine Beschreibung dieser Beispielumgebung wird lediglich aus Gründen der Einfachheit bereitgestellt und ist nicht als eine irgend geartete Einschränkung der Erfindung gedacht. In der Tat wird es nach dem Lesen der Erfindungsbeschreibung für den in dem verwandten Stand der Technik ausgebildeten Fachmann deutlich werden, wie die Erfindung in zu der hier beschriebenen alternativen Umgebungen zu implementieren ist.
1 veranschaulicht eine Beispielumgebung, die ein Ausleuchtungssystem 100 zum Fokussieren von Licht auf einen Wafer 127 einschließt. Das Ausleuchtungssystem 100 kann Teil eines Fotolithografiesystems zur Herstellung eines gewünschten Schaltungsmusters auf dem Wafer 127 sein. Das Ausleuchtungssystem 100 enthält: eine Lichtquelle 103; einen Spiegel 106; ein Spannungsplättchen 109; einen Strahlteilerwürfel 121, der Abschnitte 112 und 118 und eine Beschichtung (Beschichtungen) 115 aufweist; und ein Fokussiermodul 124.
Das Ausleuchtungssystem 100 arbeitet wie folgt. Die Lichtquelle 103 stellt eine Lichtwellenfront 104 zur Verfügung, die eine spezielle Wellenlänge und Polarisation aufweist, die auf den Strahlteilerwürfel 121 fällt. Aus Gründen der Diskussion ist die Lichtwellenfront 104 vertikal polarisiert, obwohl andere Polarisationen verwendet werden könnten.
Die Lichtwellenfront 104 passiert den Abschnitt 112 des Würfels 121 und fällt auf die Beschichtung 115. Die Beschichtung 115 hat optische Transmissionseigenschaften, die in Abhängigkeit von der Polarisation des einfallenden Lichtes variieren. Wenn das einfallende Licht vertikal polarisiert ist, ist die Beschichtung 115 reflektierend. Wenn das einfallende Licht horizontal polarisiert ist, dann ist die Beschichtung 115 durchlässig. Da die Wellenfront 104 vertikal polarisiert ist, wird sie durch die Beschichtung 115 aufwärts zu dem Spannungsplättchen 109 reflektiert.
Das Spannungsplättchen 109 ist beinahe ein 1/4-Wellen-Spannungsplättchen für die interessierende Wellenlänge und ist um 45 Grad in der zx-Ebene relativ zu der einfallenden Wellenfront gedreht. Das Ergebnis ist, dass das Spannungsplättchen 109 das vertikal polarisierte Licht zu zirkular polarisiertem (CP-) Licht 107 konvertiert, das auf den Spiegel 106 einfällt.
Der Spiegel 106 reflektiert das CP-Licht 107 und kehrt die zirkulare Polarisation um, um umgekehrtes CP-Licht 108 zu erzeugen. Das CP-Licht 108 verläuft zurück durch das Spannungsplättchen 109 und wird zu horizontal polarisiertem Licht 110 konvertiert, das auf den Würfel 121 einfällt. Somit wird durch zweimaliges Leiten linear polarisierten Lichtes durch ein 1/4-Wellen-Spannungsplättchen unter Verwendung eines Spiegels die lineare Polarisation beibehalten, aber die Polarisation ist um 90 Grad gedreht.
Der Würfel 121 leitet ohne wesentliche Änderungen das horizontal polarisierte Licht 110 zu dem Fokussiermodul 124. Dieses geschieht, da die Beschichtung 115 für horizontal polarisiertes Licht, wie oben diskutiert, durchlässig ist.
Das Fokussiermodul 124 enthält die Maske, die das gewünschte Schaltungsmuster aufweist. Das Fokussiermodul 124 veranlasst das einfallende Licht, durch die Maske zu verlaufen, die ein Maskenbild 126 erzeugt, das auf den Wafer 127 fokussiert wird.
2. Calciumfluorid (CaF₂) – Spannungsplättchen
2A veranschaulicht das Spannungsplättchen 200 zum Verzögern einer optischen Wellenfront gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Spannungsplättchen 200 ist aus einem Calciumfluoridmaterial hergestellt, das das chemische Symbol CaF₂ besitzt. CaF₂ besitzt eine gut bekannte Kristallstruktur, die kubisch-flächenzentriert ist. 2B veranschaulicht die kubisch-flächenzentrierte Struktur von CaF₂ und enthält 8 Calcium (Ca) – Ionen, die einen Würfel bilden, der ein zusätzliches Ca-Ion in der Mitte von jeder der sechs Flächen des Würfels besitzt. (Die Fluor-Ionen sind zur Vereinfachung der Illustration nicht gezeigt.) Die äußeren Flächen des Würfels sind die kubischen Ebenen, und die Spaltebenen werden durch die gepunkteten Linien gebildet. Ein Teil der Spaltebene, der von den Ca-Ionen Ca₁, Ca₂, und Ca₃ gebildet wird, ist kreuzschattiert. Die am einfachsten zu schneidende oder zu brechende Ebene eines kristallinen Materials liegt entlang der Spaltebenen und nicht der kubischen Ebenen.
Ein Vorteil, eine optische Verzögerung durch CaF₂ herzustellen, liegt darin, dass CaF₂ in der Lage ist, elektromagnetische Wellen, die Wellenlängen haben, die unterhalb von 193 nm liegen (einschließlich Wellenlängen bei 157 nm), mit relativ niedriger Dämpfung, wenn man es mit traditionellen optischen Materialien wie Quarzglas oder künstlichem Qual vergleicht, durchzulassen. Daher ermöglichen CaF₂-Spannungsplättchen Herstellungsvertahren, um Halbleiter mit Schaltungsgeometrien herzustellen, die kleiner als 0,25 μm sind.
Das Spannungsplättchen 200 besitzt zwei verschiedene Brechungsindizes, die von elektromagnetischen (EM) – Feldern in Abhängigkeit von der EM-Feldorientierung gesehen werden. Der erste Brechungsindex ist n₁ und wird von EM-Feldern gesehen, die mit dem Vektor 203 orientiert sind. Der zweite Brechungsindex ist n₂ und wird von EM-Feldem gesehen, die mit dem Vektor 206 orientiert sind. Wie verstanden wird, definieren die Brechungsindizes für ein Material die Phasengeschwindigkeit für eine elektromagnetische Welle, die sich in dem Material fortpflanzt, relativ zu der Phasengeschwindigkeit im freien Raum.
In Ausführungsformen der Erfindung stellt n₁ den charakteristischen Brechungsindex für ungestörtes CaF₂ und n₂ einen höheren oder niedrigeren Brechungsindex, der durch eine Kompressions- oder Zugkraft, die mit dem Vektor 206 ausgerichtet ist, verursacht wird, dar. Die Änderung des charakteristischen Brechungsindexes von CaF₂ unter Verwendung von Kompressions- und/oder Zugkräften wird im Weiteren in dem folgenden Abschnitt diskutiert. Alternativ sind sowohl n₁ als auch n₂ von dem Brechungsindex für ungestörtes CaF₂ verschieden, wobei einer (n₁ oder n₂) einen höheren Brechungsindex als ungestörtes CaF₂ aufweist, und der andere einen niedrigeren Brechungsindex als ungestörtes CaF₂ besitzt. (Im Weiteren wird der Vektor 203 als Brechungsindexvektor 203 bezeichnet, und es wird angenommen, dass er seinen assoziierten Brechungsindex n₁ enthält. Ähnlich wird Vektor 206 als Brechungsindexvektor 206 bezeichnet, und es wird angenommen, dass er den assoziierten Brechungsindex n₂ enthält.)
Wie in 2A gezeigt, sind die beiden Brechungsindizes 203 und 206 senkrecht auf einem assoziierten Satz von kubischen CaF₂-Ebenen und sind daher senkrecht zueinander. Die Vektoren 203 und 206 sind ebenfalls senkrecht zu einer Transmissionsachse 209, die mit dem Spannungsplättchen 200 assoziiert ist. Die Transmissionsachse 209 definiert die Richtung, in der sich eine optische Wellenfront erforderlicher Weise durch das Spannungsplättchen 200 ausbreitet, um die gewünschte Verzögerung zu erhalten. Bei dem Spannungsplättchen 200 ist der erste Brechungsindex 203 entlang der z-Achse ausgerichtet, und der zweite Brechungsindexvektor 206 ist entlang der x-Achse ausgerichtet, wie sie durch das Koordinatensystem für 2A definiert sind. Die Transmissionsachse 209 befindet sich entlang der y-Achse durch das Plättchen 200. Die gewünschte optische Verzögerung kann durch Transmission der optischen Wellenfront 212 durch eine der Seiten des Spannungsplättchens 200 entlang der y-Achse erreicht werden.
Wenn eine optische Wellenfront 212 durch das Spannungsplättchen entlang der Transmissionsachse 209 verläuft, wird die optische Wellenfront um einen Betrag, der proportional zu dem Unterschied zwischen den Brechungsindexvektoren ist, retardiert oder verzögert. Die Verzögerung tritt auf, weil die optische Wellenfront 212 eine EM-Feldkomponente, die entlang dem ersten Brechungsindexvektor 203 ausgerichtet ist, und eine EM-Feldkomponente, die entlang dem zweiten Brechungsindexvektor 206 ausgerichtet ist, besitzt. Infolgedessen besitzt die Feldkomponente, die entlang dem Vektor 203 ausgerichtet ist, eine andere Phasengeschwindigkeit als die Feldkomponente, die entlang dem Vektor 206 ausgerichtet ist, wenn sie durch das Spannungsplättchen 200 verläuft, wodurch die Verzögerung implementiert wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens
Wie oben beschrieben, funktioniert ein CaF₂-Spannungsplättchen zum Verzögern einer optischen Wellenfront dadurch, dass es zwei unterschiedliche Brechungsindizes besitzt, die von verschiedenen Feldkomponenten der optischen Wellenfront gesehen werden. Der vorliegende Abschnitt beschreibt Verfahren zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens unter Verwendung von Kompressions-, Zug- und Scherkräften, die auf die Flächen der kubischen Ebene des CaF₂-Plättchens angewendet werden.
A. Kompressions- und/oder Zugkräfte
3 zeigt ein funktionelles Flussdiagramm 300, das ein Verfahren zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens aus einer Probe von CaF₂-Material gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschreibt. Das Flussdiagramm 300 wird wie folgt beschrieben.
In einem Schritt 302 wird eine Probe von CaF₂-Material bereitgestellt. 4 veranschaulicht eine CaF₂-Probe 402, die Spaltebenen 404 und kubische Ebenen 406 besitzt. Unbearbeitete Proben sind typischerweise in einer Spaltebene orientiert, da die Spaltebene die Ebene ist, in der am einfachsten von einem neu gewachsenen CaF₂-Block eine Probe geschnitten wird.
In einem Schritt 304 wird die Orientierung der kubischen Ebenen der CaF₂-Probe bestimmt. Die Bestimmung der Orientierung der kubischen Ebene für eine Probe kann unter Verwendung bekannter Röntgentechniken oder anderer Standardtechniken ausgeführt werden. Die Orientierung der kubischen Ebene wird so bestimmt, dass ein CaF₂-Plättchen, das Flächen, die entlang der kubischen Ebenen ausgerichtet sind, aufweist, von der CaF₂-Probe geschnitten werden kann, wie es durch das CaF₂-Plättchen 408, das durch die kubischen Ebenen 406 definiert ist, in 4 veranschaulicht ist.
In einem Schritt 306 wird die CaF₂-Probe verarbeitet, um ein CaF₂-Plättchen herzustellen, das sämtliche 6 Flächen in kubischen CaF₂-Ebenen liegen hat. Schritt 306 wird weiterhin durch das Flussdiagramm 500 beschrieben, das in 5 gezeigt wird, und es wird wie folgt beschrieben. In einem Schritt 502 wird ein CaF₂-Plättchen, das in den kubischen CaF₂-Ebenen ausgerichtet ist, von der CaF₂-Probe geschnitten, wie es durch das CaF₂-Plättchen 408, das in 4 gezeigt ist, veranschaulicht ist. Verschiedene Techniken zum Schneiden oder Schleifen kristalliner Materialien sind den Fachleuten bekannt. In einem Schritt 504 wird das CaF₂-Plättchen auf eine handelsübliche Polierung poliert, so dass die Flächen hinreichend flach und parallel für optische Transmissionen sind. 6A stellt das CaF₂-Plättchen 408 dar, nachdem es von der Probe 402 geschnitten worden ist, wobei sämtliche 6 Flächen 406a–f des Plättchens in einer kubischen CaF₂-Ebene liegen.
In einem Schritt 308 wird eine Kompressionskraft oder Zugkraft senkrecht zu zumindest einem Satz von Flächen kubischer Ebenen und senkrecht zu der Transmissionsachse einer einfallenden optischen Wellenfront angelegt. Die Kompressions- oder Zugkraft setzt das Plättchen in der Richtung der Kraft unter Spannung, wodurch der Brechungsindex für elektromagnetische Felder, die entlang der Richtung der Spannung orientiert sind, geändert wird. In anderen Worten weist das unter Spannung gesetzte CaF₂-Plättchen effektiv zwei Brechungsindizes auf. Ein Brechungsindex wird von elektromagnetischen Feldern gesehen, die in der Richtung der Spannung orientiert sind. Der andere Brechungsindex wird von elektromagnetischen Feldern gesehen, die in Richtungen orientiert sind, in denen keine Spannung vorliegt. Es sind die unterschiedlichen Brechungsindizes entsprechend der Feldorientierung, die die gewünschte Verzögerung für die optische Wellenfront verursachen, die sich entlang der Transmissionsachse ausbreitet. Die verbleibenden Schritte in dem Flussdiagramm 300 werden weiter unten beschrieben.
6B–6G veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen für die Anwendung von Kompressions- und/oder Zugkräften auf das CaF₂-Plättchen 408 in dem Schritt 308. Diese Figuren schließen eine optische Wellenfront 602 ein, die auf die Fläche 406b entlang der y-Achse einfällt, um die Transmissionsachse relativ zu den angelegten Kraftvektoren zu definieren. (Die Fläche 406b wird zur Einfachheit als die Unterfläche veranschaulicht.) Für optimale Verzögerungsresultate sollte die optische Wellenfront 602 senkrecht zu der Fläche 406b (und daher senkrecht zu den Kraftvektoren) einfallen. Dieselbe Verzögerung wird erreicht, wenn die optische Wellenfront auf die obere Fläche 406a einfällt. Wenn die optische Wellenfront 602 eine transversale elektromagnetische (TEM-) Welle ist, besitzt die Wellenfront 602 eine EM-Feldkomponente in der x-Richtung und eine Etikettiermaschine-Feldkomponente in der z-Richtung, wie von den Fachleuten verstanden werden wird. 6B–6D werden nun in Ausführlichkeit diskutiert.
In 6B wird die Kompressionskraft 604a und 604b entlang der x-Richtung und senkrecht zu den Flächen 406c und 406d des CaF₂-Plättchens 408 angelegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Kompressionskraft unter Verwendung von einer oder mehreren Schrauben angelegt werden, die an die Flächen 406c und 406d anstoßen. Für beste Ergebnisse sollte die Kompressionskraft gleichförmig entlang der Flächen 406c und 406d unter Verwendung mehrerer Schrauben ange legt werden. Die Kompressionskraft wird eine innere Spannung verursachen, die den Brechungsindex des CaF₂-Plättchens, der von den EM-Feldem gesehen wird, die in der x-Richtung orientiert sind, verändert. Der Brechungsindex für EM-Felder, die in der z-Richtung orientiert sind, verbleibt unverändert. Daher wird die optische Wellenfront 602, wenn sie sich durch das Plättchen 408 ausbreitet, verzögert, da die EM-Felder, die in x-Richtung orientiert sind, im Vergleich zu den EM-Feldern, die in der z-Richtung orientiert sind, verzögert werden. Experimentelle Resultate zeigen, dass bei der Wellenlänge von 157 nm durch Anlegen von einer Kraft von 300–500 psi eine Verzögerung von 90 Grad erreicht werden kann.
In 6C wird eine Zugkraft (oder ziehende Kraft) 606a, b senkrecht zu den Flächen 406c und 406d angelegt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Zugkraft durch Ankleben einer Leiste an jeder Fläche 406c und 406d und Nachaußenziehen an den Leisten angelegt werden. Wie oben beschrieben, ändert die angelegte Kraft den Brechungsindex für EM-Felder, die in der Richtung der Kraft orientiert sind, wodurch die gewünschte Verzögerung verursacht wird.
In 6D wird eine Kompressionskraft 608a, b senkrecht zu den Flächen 406e und 406f angelegt. Die angelegte Kraft 608 ändert den Brechungsindex für EM-Felder, die in der z-Richtung jedoch nicht in der x-Richtung orientiert sind, wodurch die gewünschte Verzögerung verursacht wird.
In 6E wird eine Zugkraft (oder ziehende Kraft) 610a, b senkrecht zu den Flächen 406e und 406f angelegt, um die gewünschte Verzögerung zu implementieren.
In 6F wird eine Kompressionskraft 612a, b senkrecht zu den Flächen 406c und 406d angelegt, und es wird eine Zugkraft 614a, b senkrecht zu den Flächen 406e und 406f angelegt. In dieser Ausführungsform wird der Brechungsindex für EM-Felder, die entlang der x-Richtung orientiert sind, und der Brechungsindex für EM-Felder, die in der z-Richtung orientiert sind, geändert. Jedoch wird ein Brechungsindex erhöht und der andere erniedrigt, da eine Kraft eine Kompressionskraft und die andere Kraft eine Zugkraft ist.
In 6G wird eine Zugkraft 614a, b senkrecht zu den Flächen 406c und 406d und eine Kompressionskraft 616a, b senkrecht zu den Flächen 406e und 406f angelegt. Ähnlich wie in 6F beschrieben, werden die Brechungsindizes für EM-Wellen, die sowohl in der x-Richtung als auch der z-Richtung orientiert sind, geändert, jedoch weisen die Änderungen entgegengesetzte Vorzeichen auf.
Es wird aus den 6B–6G erkannt, dass die Kompressions- und/oder Zugkräfte an kubischen Ebenen angelegt werden, die nicht den Satz von Ebenen darstellen, der die einfallende optische Wellenfront empfängt (die Ebenen 406a und 406b). Statt dessen werden die Kompressions- oder Zugkräfte an einem oder mehreren der anderen zwei Sätze von kubischen Ebenen angelegt. Diese anderen Sätze von kubischen Ebenen sind 406c, 406d und 406e, 406f.
Um nun zu dem Flussdiagramm 300 zurückzukommen, wird die optische Verzögerung in einem Schritt 310 für die interessierende Wellenlänge gemessen, um zu bestimmen, ob der gewünschte Grad an Verzögerung erreicht ist. Es gibt verschiedene Vorrichtungen, einschließlich Polarimeter, um die optische Verzögerung zu messen, die dem Fachmann bekannt sind.
7 veranschaulicht ein Messsystem 700 zum Bestimmen, ob die optische Verzögerung des Spannungsplättchens 408 für die einfallende optische Wellenfront 602 die gewünschten 90 Grad erreicht hat. Zu Zwecken der Diskussion ist die optische Wellenfront 602 vertikal polarisiert. 7 schließt einen Vertikalpolarisator 703, das Spannungsplättchen 408, einen Spiegel 706 und einen Detektor 709 ein und funktioniert wie folgt.
Der Polarisator 703 ist der vertikal polarisierten Wellenfront 602 angepasst und lässt deshalb im wesentlichen die Wellenfront 602 zu dem Spannungsplättchen 408 durch. Das Spannungsplättchen 408 ist in der zx-Ebene um 45 Grad gedreht und wandelt somit die Wellenfront 602 in eine zirkular polarisierte Wellenfront 707 um. Der Spiegel 706 reflektiert die CP-Wellenfront 707 und kehrt die CP-Polarisation um, um die CP-Wellenfront 708 zu erzeugen. Die CP-Wellenfront 708 verläuft zurück durch das Spannungsplättchen 408 und wird in im wesentlichen horizontal polarisiertes Licht 704 umgewandelt, wenn die Spannungsplättchenverzögerung im wesentlichen 90 Grad beträgt. Der Vertikalpolarisator 703 empfängt das Licht 704 und weist jeglichen Anteil, der hori zontal polarisiert ist, zurück, und lässt den vertikalen Anteil als Licht 702 durch. Der Detektor 709 misst die Signalstärke des Lichts 702, das durch den Polarisator 703 verläuft. Je mehr die Verzögerung des Spannungsplättchens 408 bei 90 Grad liegt, desto mehr Licht 704 wird zurückgewiesen, und desto kleiner ist die Signalstärke, die für das Licht 702 gemessen wird. Wenn die Spannungsplättchenverzögerung gegenüber 90 Grad abweicht, wird der Detektor 709 eine höhere Signalstärke von Licht, das durch den Polarisator 703 verläuft, detektieren.
In einem Schritt 312 wird bestimmt, ob die Verzögerung des Spannungsplättchens hinreichend nah an dem gewünschten Grad ist. Wenn das Messsystem 700 verwendet wird, erfolgt die Bestimmung 312 auf der Grundlage der gemessenen Signalstärke des Lichts 702. In anderen Worten ist, wenn die Signalstärke oberhalb eines Schwellenwertes liegt, die Verzögerung nicht hinreichend nahe an den gewünschten 90 Grad. Wenn die Verzögerung hinreichend ist, endet dann die Verarbeitung, und ist das Spannungsplättchen 408 fertiggestellt und für eine Verwendung bereit. Wenn die Verzögerung nicht hinreichend ist, kann die Kompressions- und/oder Zugkraft in Schritt 314 erhöht werden und kann der Messvorgang wiederholt werden, bis die gewünschte Verzögerung erreicht worden ist.
B. Scherkräfte
Das Flussdiagramm 300 beschrieb ein Verfahren zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens unter Verwendung von Kompressions- und/oder Zugkräften, die senkrecht zu den mechanischen Flächenkubischen Ebenen des CaF₂-Plättchens angelegt wurden. Alternativ kann ein CaF₂-Spannungsplättchen unter Verwendung von Scherkräften hergestellt werden, die auf das Plättchen wirken. 8 stellt ein Flussdiagramm 800 dar, das ein Verfahren zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens unter Verwendung von einer oder mehreren Scherkräften zeigt. Schritte 302, 304 und 310–314 in dem Flussdiagramm 800 sind dieselben, wie diejenigen, die in dem Flussdiagramm 300 beschrieben sind, auf welches der Leser für weitere Einzelheiten verwiesen wird. Die neuen Schritte 802 und 804 werden im weiteren beschrieben.
In einem Schritt 802 wird die CaF₂-Probe verarbeitet, um ein CaF₂-Plättchen herzustellen, das mechanische Flächen besitzt, die um die Transmissionsachse relativ zu den kubischen CaF₂-Ebenen um 45 Grad gedreht sind. Schritt 802 wird weiterhin durch Flussdiagramm 900 beschrieben, das in 9 gezeigt ist, und wird wie folgt beschrieben. In einem Schritt 902 wird ein CaF₂-Plättchen so von der CaF₂-Probe geschnitten, dass vier der mechanischen Flächen (die nicht die Transmissionsachse definieren) um 45 Grad gegenüber den kubischen CaF₂-Ebenen, die in Schritt 304 gefunden wurden, gedreht sind. Verschiedene Techniken zum Schneiden oder Schleifen kristalliner Materialien sind den Fachleuten bekannt. Die anderen zwei mechanischen Flächen werden so geschnitten, dass sie in kubischen CaF₂-Ebenen liegen, und definieren die Transmissionsachse für die optische Wellenfront. In einem Schritt 904 wird das CaF₂-Plättchen auf eine handelsübliche Polierung poliert, so dass die Flächen hinreichend flach und parallel sind, wie es für die optische Transmission erforderlich ist.
10A stellt ein CaF₂-Plättchen 1002 dar, nachdem es gemäß den Schritten 902 und 904 bearbeitet worden ist. Wie beschrieben, besitzt das CaF₂-Plättchen 1002 mechanische Flächen 1004a–d, die um die Transmissionsachse 1008 relativ zu den kubischen Ebenen 1006a–d um 45 Grad gedreht sind. Als solche formen die kubischen Ebenen 1006a–d in dem Plättchen 1002, wie in 10A gezeigt, eine Diamantform. Die mechanischen Flächen 1004e und 1004f sind die "oberen" und "unteren" Flächen des Plättchens 1002 und liegen in den kubischen CaF₂-Ebenen. Als solches stehen die mechanischen Flächen 1004e und 1004f senkrecht zu der optischen Transmissionsachse 1008 (und definieren dieselbe).
In einem Schritt 804 werden Scherkräfte entlang der mechanischen Flächen und senkrecht zu der Transmissionsachse der einfallenden optischen Wellenfront angelegt. Die Scherkräfte sind zu entgegengesetzten Ecken des CaF₂-Plättchens in einer Weise gerichtet, die verhindert, dass das CaF₂-Plättchen sich dreht. Wie bei dem Verfahren mit der Kompressions-/Zugkraft ändern die Scherkräfte den Brechungsindex des CaF₂-Plättchens in der Richtung der resultierenden Kraftvektoren, um die gewünschte optische Verzögerung zu implementieren.
10B und 10C veranschaulichen einige der verschiedenen Ausführungsformen für die Anwendung der Scherkräfte, um den Brechungsindex des CaF₂-Plättchens zu ändern. 10B und 10C werden wie folgt erläutert.
In 10B werden Scherkräfte 1010a und 1010b an der Ecke 1012 entlang der Flächen 1004b bzw. 1004c angelegt. Ebenso werden Scherkräfte 1016a und 1016b an der Ecke 1014 entlang der Flächen 1004a bzw. 1004d angelegt. Scherkräfte können durch Ankleben einer Leiste an jeder Fläche 1004 und Drücken oder Ziehen auf der Leiste in der geeigneten Richtung implementiert werden. Die resultierenden Kräfte schließen eine Zugkraft 1018a und 1018b ein, die wirkt, um die Ecken 1012 und 1014 voneinander fort zu ziehen. Ebenso wirkt eine Kompressionskraft 1019a und 1019b, um die Ecken 1003 und 1005 zueinander zu drücken. Zugkraft 1018a, b und Kompressionskraft 1019a, b ändern den Brechungsindex entlang der Richtung ihrer jeweiligen Achsen und implementieren daher die gewünschte optische Verzögerung. Es wird bemerkt, dass die Kraft 1018a, b entlang der Diagonalen gerichtet ist, die von den Ecken 1012 und 1014 gebildet wird. Daher steht die Kraft 1018a, b senkrecht zu den kubischen Ebenen 1006b und 1006d, ist jedoch in der zx-Ebene relativ zu den mechanischen Flächen 1004a–d um 45 Grad gedreht. Ebenso steht die Kraft 1019a, b senkrecht zu den kubischen Ebenen 1006a und 1006d, ist jedoch in der zx-Ebene relativ zu den mechanischen Flächen 1004a–d um 45 Grad gedreht. Dieses ist im Gegensatz zu den Kompressions- und Zugkräften in den 6A–6G, die sämtlich senkrecht auf den mechanischen Flächen des Spannungsplättchens 408 standen. Eine Folge dieses Unterschieds ist, dass ein Spannungsplättchen von 90 Grad, das unter Verwendung von Scherkräften hergestellt wird, nicht um 45 Grad in der zx-Ebene gedreht werden muss, um die Polarisation der einfallenden optischen Wellenfront von der linearen Polarisation zu der zirkularen Polarisation und umgekehrt zu ändern. Dieses ist so, weil die resultierenden Kraftvektoren 1018 und 1019 bereits um 45 Grad in der zx-Ebene gedreht sind.
In 10C werden Scherkräfte 1020a und 1020b an der Ecke 1012 entlang der Flächen 1004b bzw. 1004c angelegt. Ebenso werden Scherkräfte 1022a und 1022b an der Ecke 1014 entlang der Flächen 1004a bzw. 1004d angelegt. Das Ergebnis ist eine Kompressionskraft 1024a und 1024b, die entlang der Diagonalen wirkt, die durch die Ecken 1012, 1014 gebildet wird, und den Brechungsindex entlang der Diagonale ändert. Ebenso wirkt eine Zugkraft 1026a und 1026b entlang der Diagonale der Ecken 1003, 1005 und ändert den Brechungsindex entlang der Diagonalen. Wie in 10B steht die resultierende Kompressionskraft 1024a, b senkrecht zu den kubischen Ebenen 1006b und 1006d, ist jedoch relativ zu den mechanischen Flächen 1004a–d um 45 Grad gedreht. Ebenso steht die Zugkraft 1026a, b zu den kubischen Ebenen 1006a und 1006c senkrecht, ist jedoch relativ zu den mechanischen Flächen 1004a–d um 45 Grad recht, ist jedoch relativ zu den mechanischen Flächen 1004a–d um 45 Grad gedreht. Daher ist es nicht notwendig, das Spannungsplättchen zu drehen, um die Polarisation der einfallenden optischen Wellenfront von der linearen Polarisation zu der zirkularen Polarisation und umgekehrt zu ändern.
Schlussfolgerung
Es sind hier beispielhafte Ausführungsformen der Verfahren und Bestandteile der vorliegenden Erfindung beschrieben worden. Wie an anderer Stelle bemerkt, sind diese beispielhaften Ausführungsformen lediglich zur Veranschaulichung beschrieben worden und sind nicht einschränkend. Andere Ausführungsformen sind möglich und werden von der Erfindung, wie sie ausschließlich gemäß den folgenden Ansprüchen definiert ist, abgedeckt.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens (200), das eine spezifizierte Verzögerung für eine optische Wellenfront besitzt, die entlang einer Transmissionsachse (209) auf das Spannungsplättchen (200) einfällt, worin die Verzögerung durch einen Unterschied in den Brechungsindizes in Richtungen senkrecht zu der Transmissionsachse verursacht wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (1) Bereitstellen eines CaF₂-Spannungsplättchens (408), das Flächen besitzt, die parallel zu den kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (406a–f) ausgerichtet sind, und Anordnen der Transmissionsachse, so dass sie senkrecht zu einem ersten Paar (406a, b) von Flächen steht, die parallel zu einem ersten Satz von kristallinen kubischen Ebenen ausgerichtet sind; und (2) Anlegen einer kompressiven Kraft (604a, b; 612a, b) oder einer Zugkraft (605a, b; 614a, b) senkrecht zu der Transmissionsachse (209) und senkrecht zu einem zweiten Paar (406c, d; 406e, f) der genannten Flächen, die parallel zu einem zweiten Satz von kristallinen kubischen Ebenen ausgerichtet sind, der von dem genannten ersten Satz von kristallinen kubischen Ebenen verschieden ist, wobei die genannte Kraft die spezifizierte Verzögerung für eine optische Wellenfront (212; 602) verursacht, die entlang der Transmissionsachse (209) verläuft.
Das Verfahren von Anspruch 1, weiterhin die Schritte umfassend: (3) Festlegen einer kubischen Orientierung einer nicht-orientierten CaF₂-Probe (402) vor Schritt (1); und (4) Verarbeiten der genannten CaF₂-Probe (402) auf der Grundlage der genannten kubischen Orientierung, um das genannte CaF₂-Plättchen (408) herzustellen, das Flächen besitzt, die in den genannten kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (404a–d) ausgerichtet sind.
Das Verfahren von Anspruch 2, worin Schritt (4) die Schritte umfasst: (a) Schneiden des genannten CaF₂-Plättchens (408) aus der genannten Probe (402) entsprechend der genannten kubischen Orientierung der genannten Probe (402); und (b) Polieren der genannten Flächen des genannten CaF₂-Plättchens (408), um eine handelsübliche Polierung zu erhalten.
Das Verfahren von Anspruch 1, worin Schritt (2) weiterhin den Schritt des Anlegens der genannten Kraft, um eine Verzögerung von ¼ Wellenlänge der einfallenden optischen Wellenfront (212; 602) zu verursachen, umfasst.
Das Verfahren von Anspruch 4, worin Schritt (2) weiterhin den Schritt des Anlegens der genannten Kraft mit ungefähr zwischen 300 Psi und 500 Psi umfasst.
Das Verfahren von Anspruch 1, weiterhin die Schritte umfassend: (3) Anlegen einer zweiten kompressiven Kraft (616a, b) oder Zugkraft (614a, b) senkrecht zu einem dritten Paar (406, f; 406c, d) der genannten Flächen, das von dem genannten ersten Paar von Flächen und dem genannten zweiten Paar von Flächen unterschieden ist, und senkrecht zu der genannten Transmissionsachse (209), wobei die genannte zweite Kraft eine kompressive Kraft ist, wenn die genannte Kraft in Schritt (2) eine Zugkraft ist, wobei die genannte zweite Kraft eine Zugkraft ist, wenn die genannte Kraft in Schritt (2) eine kompressive ist.
Das Verfahren von Anspruch 1, weiterhin die Schritte umfassend: (3) Messen einer optischen Verzögerung des genannten CaF₂-Plättchens (408), um festzustellen, ob die gemessene optische Verzögerung hinreichend nah an der genannten spezifizierten Verzögerung liegt; und (4) Erhöhen der in Schritt (2) angelegten Kraft, bis die genannte gemessene Verzögerung hinreichend nah an der genannten spezifizierten Verzögerung liegt.
Ein Verfahren zur Herstellung eines CaF₂-Spannungsplättchens (1002), das eine spezifizierte Verzögerung für eine optische Wellenfront besitzt, die entlang einer Transmissionsachse (1008) auf das Spannungsplättchen einfällt, worin die Verzögerung durch einen Unterschied in den Brechungsindizes in Richtungen senkrecht zu der Transmissionsachse verursacht wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (1) Bereitstellen eines CaF₂-Plättchens (1002), das einen ersten Satz von mechanischen Flächen (1004a–d), die um ungefähr 45 Grad gegenüber einem ersten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (1006a–d) gedreht sind, und einen zweiten Satz von mechanischen Flächen (1004e, f), die in einem zweiten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen liegen, der von dem genannten ersten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen verschieden ist, besitzt, und Anordnen der Transmissionsachse (1008), so dass sie senkrecht zu dem genannten zweiten Satz von mechanischen Flächen (1004e, f) steht; und (2) Anlegen von Scherkräften (1010a, b, 1016a, b; 1020a, b, 1022a, b) an den genannten ersten Satz von mechanischen Flächen (1004a–d) des CaF₂-Plättchens (1002), wobei die genannten Scherkräfte (1010a, b, 1016a, b; 1020a, b, 1022a, b) in einer solchen Weise angelegt werden, dass die resultierenden Zug- und Kompressionskräfte senkrecht zu dem genannten ersten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (1006a–d) gerichtet sind und die spezifizierte Verzögerung für eine optische Wellenfront, die sich entlang der Transmissionsachse (1008) ausbreitet, verursachen.
Das Verfahren von Anspruch 8, weiterhin die Schritte umfassend: (3) Festlegen einer kubischen Orientierung einer nicht-orientierten CaF₂-Probe vor Schritt (1); und (4) Verarbeiten der genannten CaF₂-Probe (402) auf der Grundlage der genannten kubischen Orientierung, um ein CaF₂-Plättchen (1002) herzustellen, das den genannten ersten Satz von mechanischen Flächen (1004a–d), die um 45 Grad gegenüber dem ersten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (1006a–d) gedreht sind, und den genannten zweiten Satz von mechanischen Flächen (1004e, f), die in dem genannten zweiten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen liegen, besitzt.
Das Verfahren von Anspruch 9, worin Schritt (4) die Schritte umfasst: a) Schneiden des genannten CaF₂-Plättchens (1008) aus der genannten Probe entsprechend der genannten kubischen Orientierung der genannten Probe; und (b) Polieren der genannten Flächen des genannten CaF₂-Plättchens (1008), um eine handelsübliche Polierung zu erhalten.
Eine Vorrichtung zur optischen Verzögerung, ein CaF₂-Plättchen umfassend, das besitzt Flächen, die parallel zu den kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (406a–f) ausgerichtet sind, und eine Transmissionsachse, die senkrecht zu einem ersten Paar (406a, b) von den genannten Flächen steht, die parallel zu einem ersten Satz von kristallinen kubischen Ebenen ausgerichtet sind, einen ersten Brechungsindex für Licht, das in einer ersten Richtung senkrecht zu dem ersten Satz von kristallinen kubischen Ebenen und senkrecht zu der Transmissionsachse polarisiert ist, und einen zweiten Brechungsindex für Licht, das in einer zweiten Richtung senkrecht zu einem zweiten Satz von kristallinen kubischen Ebenen, der von dem ersten Satz von kristallinen kubischen Ebenen verschieden ist, polarisiert ist, und das senkrecht zu der Transmissionsachse polarisiert ist, worin das CaF₂-Plättchen unter einer kompressiven Kraft (604a, b; 612a, b) oder einer Zugkraft (606a, b; 614a, b) steht, die senkrecht zu der Transmissionsachse (209) und senkrecht zu einem zweiten Paar (406c, d; 406e, f) der genannten Flächen, die parallel zu dem genannten zweiten Satz von kristallinen kubischen Ebenen ausgerichtet sind, angelegt wird.
Eine Vorrichtung zur optischen Verzögerung, ein CaF₂-Plättchen umfassend, das besitzt einen ersten Satz von mechanischen Flächen (1004a–d), die um ungefähr 45 Grad gegenüber einem ersten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (1006a–d) gedreht sind; einen zweiten Satz von mechanischen Flächen (1004e, f), die in einem zweiten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen liegen, der von dem genannten ersten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen verschieden ist, und eine Transmissionsachse (1008), die senkrecht zu dem genannten zweiten Satz von mechanischen Flächen (1004e, f) steht; einen ersten Brechungsindex für Licht, das in einer ersten Richtung senkrecht zu einem ersten Paar (1006a, c; 1006b, d) des ersten Satzes von kristallinen kubischen Ebenen (1006a–d) und senkrecht zu der Transmissionsachse polarisiert ist; und einen zweiten Brechungsindex für Licht, das in einer zweiten Richtung senkrecht zu einem zweiten Paar (1006b, d; 1006a, c) des ersten Satzes von kristallinen kubischen Ebenen, der von dem ersten Paar des genannten ersten Satzes von kristallinen kubischen Ebenen verschieden ist, polarisiert ist, und das senkrecht zu der Transmissionsachse polarisiert ist, worin das CaF₂-Plättchen unter Scherkräften (1010a, b; 1016a, b; 1020a, b; 1022a, b) steht, die in einer solchen Weise an dem genannten ersten Satz von mechanischen Flächen (1004a–d) des CaF₂-Plättchens (1002) angelegt sind, dass die resultierenden Zug- und Kompressionskräfte senkrecht zu dem genannten ersten Satz von kristallinen kubischen CaF₂-Ebenen (1006a–d) gerichtet sind.