DE102024124298B3 - Lens and method for focusing multiple partial beams into multiple penetration depths of a sample - Google Patents
Lens and method for focusing multiple partial beams into multiple penetration depths of a sampleInfo
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Abstract
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Objektiv zum Fokussieren von zumindest zwei Teilstrahlen eines auf das Objektiv auftreffenden Lichtstrahls in zumindest eine vorgegebene Tiefe eines Bildraums, das aufweist: (a) eine Fokussiereinheit mit zumindest einem optischen Element; (b) zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit, die eingerichtet ist, den in das Objektiv eintretenden Lichtstrahl in zumindest zwei Teilstrahlen aufzuspalten, und zumindest einen Abbildungsfehler des zumindest einem optischen Elements der Fokussiereinheit vorab zu kompensieren; und (c) wobei das zumindest eine optische Element zum Fokussieren der zumindest zwei die kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit verlassenden Teilstrahlen in die zumindest eine vorgegebene Tiefe des Bildraums eingerichtet ist.
The present application relates to a lens for focusing at least two partial rays of a light ray incident on the lens into at least one predetermined depth of an image space, comprising: (a) a focusing unit with at least one optical element; (b) at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit, which is configured to split the light ray entering the lens into at least two partial rays and to compensate for at least one aberration of the at least one optical element of the focusing unit in advance; and (c) wherein the at least one optical element is configured to focus the at least two partial rays leaving the combined beam-splitting and aberration-compensating unit into the at least one predetermined depth of the image space.
Description
1. Technisches Gebiet1. Technical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Objektiv und ein Verfahren zum Fokussieren mehrerer Teilstrahlen in mehrere Eindringtiefen einer Probe. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Objektiv und ein Verfahren zum Fokussieren von zumindest zwei Teilstrahlen eines auf das Objektiv auftreffenden Lichtstrahls in zumindest eine vorgegebene Tiefe eines Bildraums, dessen Brechungsindex größer als eins ist.The present invention relates to a lens and a method for focusing several partial beams into several penetration depths of a sample. In particular, the present invention relates to a lens and a method for focusing at least two partial beams of a light beam incident on the lens into at least one predetermined depth of an image space whose refractive index is greater than one.
2. Stand der Technik2. State of the art
Viele Anwendungsmöglichkeiten von Laser-Strahlung erfordern deren Fokussierung in verschiedene Tiefen einer Probe. Beispiele hierfür sind das direkte Erzeugen oder Schreiben von optischen Wellenleitern in optisch transparente Materialien. In der Vitrographie bzw. der dreidimensionalen (3D) Glasgravur werden eine riesige Anzahl Licht-streuender Elemente in einem Glas-Volumen erzeugt, die einen 3D Bildeindruck, wie etwa ein Portrait, erzeugen. Diese Lichtstreuenden Elemente werden durch dreidimensionales Führen eines Laser-Fokus, der eine sehr große lokale Intensität aufweist, durch ein Glas-Volumen erzeugt. In einem Laser-Rastermikroskop werden Objekte in einem 3D Volumen durch Rastern eines Laser-Fokus durch die Probe abgebildet. In der 3D Foto-Polymerisation und beim photonischen Draht-Bonden wird ein Laser-Spot durch ein 3D Volumen eines flüssigen Foto-Polymers geführt, um ein lokales Polymerisieren aus der flüssigen Phase zu initiieren.Many applications of laser radiation require its focusing at various depths within a sample. Examples include the direct creation or writing of optical waveguides in optically transparent materials. In vitrography, or three-dimensional (3D) glass engraving, a vast number of light-scattering elements are created within a glass volume, producing a 3D image, such as a portrait. These light-scattering elements are generated by guiding a laser focus, exhibiting very high local intensity, through the glass volume in three dimensions. In a laser scanning microscope, objects within a 3D volume are imaged by scanning the sample with a laser focus. In 3D photopolymerization and photonic wire bonding, a laser spot is guided through a 3D volume of a liquid photopolymer to initiate local polymerization from the liquid phase.
Die Anmelderin hat Tools entwickelt, die das Korrigieren bzw. Reparieren kleiner verbleibender Herstellungsfehler fotolithographischer Masken ermöglichen. Zur Korrektur transmissiver Fotomasken können hierfür viele kleine rotationssymmetrische Licht-abschattende Elemente mit Hilfe beugungsbegrenzter kurzer Laser-Pulse in deren Maskensubstrat eingebracht werden, wobei die zugehörigen Wellenfronten im Maskensubstrat nahezu rotationssymmetrische Flächen darstellen können. Dadurch kann z.B. die Transmission der Fotomaske so beeinflusst werden, dass die Abbildung auf dem Wafer eine verbesserte Einheitlichkeit einer kritischen Abmessung (CDU, critical dimension uniformity) aufweist. Zudem können die Tools der Anmelderin abgestimmt werden, um lokal Mikrostress-erzeugende Elemente in einer Maske zu generieren. Dazu werden Laser-Foki im Allgemeinen mit einer nicht-rotationssymmetrischen Wellenfront im Maskensubstrat erzeugt, wodurch sich nicht-rotationssymmetrische Intensitätsverteilungen in den Foki ergeben. Diese lokalen Mikrostress-erzeugenden Elemente können zu einer gezielten Verformung einer Fotomaske eingesetzt werden, was z.B. eine sogenannte „Critical Dimension Control“ (CDC) ermöglicht. Die lokalen Licht-abschattenden und Mikrostress-erzeugenden Änderungen in einer Probe werden im Folgenden summarisch als Pixel bezeichnet. Nicht-rotationssymmetrische Wellenfronten können beispielsweise mit Hilfe von Zernike-Fringe-Polynomen beschrieben werden, bei denen die Zernike-Fringe-Koeffizienten der Ordnung 5 und 6 Werte ungleich 0 aufweisen, so dass die Wellenfront einen Astigmatismus aufweist. Die Lichtverteilung ist dann je nach Tiefe in der Probe elliptisch, so dass Material der Probe in einem elliptischen Bereich modifiziert wird.The applicant has developed tools that enable the correction or repair of small remaining manufacturing defects in photolithographic masks. To correct transmissive photomasks, numerous small rotationally symmetric light-blocking elements can be introduced into the mask substrate using diffraction-limited short laser pulses, whereby the associated wavefronts in the mask substrate can represent nearly rotationally symmetric surfaces. This allows, for example, the transmission of the photomask to be influenced in such a way that the image on the wafer exhibits improved critical dimension uniformity (CDU). Furthermore, the applicant's tools can be configured to generate locally inducing microstress elements within a mask. For this purpose, laser foci are generally created with a non-rotationally symmetric wavefront in the mask substrate, resulting in non-rotationally symmetric intensity distributions within the foci. These local microstress-inducing elements can be used to selectively deform a photomask, enabling, for example, so-called "critical dimension control" (CDC). The local light-shading and microstress-inducing changes in a sample are collectively referred to as pixels. Non-rotationally symmetric wavefronts can be described, for example, using Zernike fringe polynomials where the 5th and 6th order Zernike fringe coefficients have non-zero values, resulting in astigmatism of the wavefront. The light distribution is then elliptical depending on the depth in the sample, thus modifying the sample material in an elliptical region.
Beim Erzeugen von Pixeln in einer Probe, die im Wellenlängenbereich der Pixel-generierenden Laser-Strahlung optisch transparent ist, wechselwirken die Photonen eines ultra-kurzen Laser-Pulses mit sehr großer optischer Intensität in einem nichtlinearen Absorptionsprozess in einer Wechselwirkungszone im Bereich des Laser-Fokus mit den Elektronen der Probe. Wie bereits oben angedeutet, resultiert das Einführen einer Mehrzahl oder Vielzahl symmetrischer Pixel vorwiegend im Abschatten oder Streuen eines Teils der die Probe transmittierenden Strahlung, wohingegen asymmetrische Pixel vorwiegend zu einer lokal veränderlichen Materialverschiebung und damit hauptsächlich zu einer lokalen Verschiebung von Pattern-Elementen einer Fotomaske, die auf einer Oberfläche der Maske angeordnet sind, führen.When generating pixels in a sample that is optically transparent in the wavelength range of the pixel-generating laser radiation, the photons of an ultrashort laser pulse with very high optical intensity interact with the electrons of the sample in a nonlinear absorption process within an interaction zone in the region of the laser focus. As already indicated above, introducing a plurality or multitude of symmetric pixels results primarily in the shadowing or scattering of a portion of the radiation transmitting through the sample, whereas asymmetric pixels primarily lead to a locally variable material displacement and thus mainly to a local displacement of pattern elements of a photomask arranged on a surface of the mask.
Das Substrat einer transmissiven Fotomaske weist typischerweise eine Dicke von 6,35 mm auf. Die Korrekturwirkung von Pixeln hängt von der Tiefe ab, in die Pixel in ein Maskensubstrat eingebracht bzw. geschrieben werden. Daher ist es für manche Anwendungen vorteilhaft, Pixel in verschiedene Tiefen der Fotomaske zu schreiben. Zudem beeinflusst die Verteilung der optischen Intensität im Fokus der Laser-Strahlung die Wirkung der generierten Pixel. Diese ändert sich jedoch beim Übergang der optischen Strahlung von typischerweise Luft in das Material der Probe und insbesondere beim Verschieben des Fokus in verschiedene Tiefen innerhalb der Probe. Die Auswirkung dieser Wellenfrontänderung nimmt mit wachsendem Brechungsindex der Probe stark zu. Dies bedeutet, die Wellenfront von Laser-Strahlung ändert sich beim Durchlaufen vom Probenmaterial mit großen Brechungsindex, etwa von halbleitenden Materialien, deutlich.The substrate of a transmissive photomask typically has a thickness of 6.35 mm. The corrective effect of pixels depends on the depth to which pixels are embedded or written into the mask substrate. Therefore, for some applications, it is advantageous to write pixels at different depths within the photomask. Furthermore, the distribution of optical intensity at the focus of the laser radiation influences the effect of the generated pixels. This distribution changes, however, when the optical radiation passes from typically air into the sample material, and especially when the focus is shifted to different depths within the sample. The effect of this wavefront change increases significantly with increasing refractive index of the sample. This means that the wavefront of laser radiation changes considerably when passing through sample material with a high refractive index, such as semiconducting materials.
Bei der Korrektur von Maskenfehlern in der Fotolithographie oder Mikrolithographie ist das zu bearbeitende Objekt eine Fotomaske. Beim Herstellen von Halbleiter-Bauelementen ist aber auch die Ebenheit eines Wafers, auf dem die Bauelemente erzeugt werden, von großer Wichtigkeit. Diese Planarität leidet aber durch viele einzelne nacheinander ausgeführte Prozessschritte und bedarf der wiederholten nachträglichen Bearbeitung zur Wiederherstellung der Planheit des Wafers für nachfolgende Prozessschritte.
Mit der Eindringtiefe des Fokus in den Wafer, generell in ein Target oder eine Probe, muss sich auch die Geometrie der Wellenfront des eindringenden Laser-Strahls bzw. Lichtstrahls im Medium zwischen Objektiv und Probe ändern; das Medium zwischen Objektiv und Probe wird im Nachfolgenden als „vorgelagertes Medium“ bezeichnet, weil es vom Strahlengang vor der Probe durchsetzt wird. Die Änderung der Geometrie der Wellenfront ist notwendig, damit ein Pixel unabhängig von der Eindringtiefe mit der gleichen Wellenfront in der Probe erzeugt wird. Damit haben die Pixel unabhängig von der Eindringtiefe die gleiche Geometrie. Ohne eine solche Korrektur würde sich die Fokusqualität mit der Eindringtiefe verändern, was als Absenkung der Strehl-Helligkeit quantifiziert werden kann. Dieser Effekt wird mit steigender Brechungsindex-Differenz zwischen dem vorgelagerten Medium und der Probe sowie mit zunehmender Apertur des eingesetzten Objektivs kritischer.As the focus depth into the wafer, or generally into a target or sample, increases, the geometry of the wavefront of the penetrating laser beam or light beam in the medium between the objective and the sample must also change. This medium is referred to as the "upstream medium" because it is traversed by the beam path in front of the sample. This change in wavefront geometry is necessary to ensure that a pixel is generated with the same wavefront in the sample, regardless of the penetration depth. Thus, the pixels have the same geometry regardless of the penetration depth. Without such a correction, the focus quality would change with increasing penetration depth, which can be quantified as a decrease in Strehl ratio. This effect becomes more critical with increasing refractive index difference between the upstream medium and the sample, as well as with increasing aperture of the objective lens.
Generell werden für die Materialbearbeitung Objektive benötigt, die in einem zu bearbeitenden Material einen Fokus mit großer numerischer Apertur erzeugen. Um zudem die Tiefe bzw. die Eindringtiefe des Fokus innerhalb des Materials variieren zu können, müssen die von der Eindringtiefe abhängigen Aberrationen korrigierbar sein. So wird beispielsweise bei einem Tool der Anmelderin zum Fotomasken-Tuning eine numerische Apertur von 0,4 verwendet. Für die Applikation „Herstellung der Planarität von Wafern“ können größere Aperturen wie beispielsweise 0,6 oder 0,8 verwendet werden. Generell lässt sich sagen, dass das Fokus-Volumen, innerhalb dessen das Probenmaterial verändert wird, umso kleiner wird, je größer die numerische Apertur ist. Typischerweise wird die numerische Apertur umso höher gewählt, je kleiner das Pixel-Volumen sein soll. Andererseits kann es beispielsweise beim 3D-Drucken von Foto-Polymeren gewünscht sein, größere Volumenbereiche auszuhärten. In diesem Fall kann es günstig sein, eine kleine numerische Apertur von 0,2 oder 0,3 zu verwenden, um gleichzeitig ein großes Probenvolumen auszuhärten.Generally, material processing requires lenses that create a focus with a large numerical aperture within the material being processed. Furthermore, to vary the depth or penetration depth of the focus within the material, the aberrations dependent on the penetration depth must be correctable. For example, a numerical aperture of 0.4 is used in the applicant's tool for photomask tuning. Larger apertures, such as 0.6 or 0.8, can be used for the application "creating wafer planarity." Generally speaking, the focus volume within which the sample material is modified becomes smaller as the numerical aperture increases. Typically, the numerical aperture is chosen to be higher the smaller the desired pixel volume. On the other hand, it may be desirable to cure larger volume areas, for example, when 3D printing photopolymers. In this case, it may be advantageous to use a small numerical aperture of 0.2 or 0.3 to cure a large sample volume simultaneously.
In der
Im Patent
Die
Zudem sind aus den beispielhaften Druckschriften US 2005 / 0 207 003 A1,
Die Autoren
Die
In dem Artikel „
Diese Laserfokus-Generationseinheit kann jedoch die Teilstrahlen nicht in verschiedene Tiefen der Probe abstimmen. Zur Beschleunigung eines Probenbearbeitungsprozesses ist es jedoch wünschenswert, eine Probe gleichzeitig mit mehreren Teilstrahlen bearbeiten zu können, und die Eindringtiefen der Foki in der Probe einstellen zu können.However, this laser focus generation unit cannot tune the partial beams to different depths within the sample. To accelerate sample processing, it is desirable to be able to process a sample simultaneously with multiple partial beams and to adjust the penetration depths of the foci within the sample.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, ein Objektiv und ein Verfahren anzugeben, die zumindest die oben diskutierten Beschränkungen zumindest teilweise vermeiden.The present invention therefore addresses the problem of providing a lens and a method that at least partially avoid the limitations discussed above.
3. Zusammenfassung der Erfindung3. Summary of the invention
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem zumindest teilweise durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.According to one embodiment of the present invention, this problem is at least partially solved by the subject matter of the independent claims of the present application. Exemplary embodiments are described in the dependent claims.
Eine erste Ausführungsform betrifft ein Objektiv zum Fokussieren von zumindest zwei Teilstrahlen eines auf das Objektiv auftreffenden Lichtstrahls in zumindest eine vorgegebene Tiefe eines Bildraums, das aufweist: (a) eine Fokussiereinheit mit zumindest einem optischen Element; (b) zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit, die eingerichtet ist, den in das Objektiv eintretenden Lichtstrahl in zumindest zwei Teilstrahlen aufzuspalten, und zumindest einen Abbildungsfehler des zumindest einen optischen Elements der Fokussiereinheit vorab zu kompensieren; und (c) wobei das zumindest eine optische Element zum Fokussieren der zumindest zwei die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit verlassenden Teilstrahlen in die zumindest eine vorgegebene Tiefe des Bildraums eingerichtet ist.A first embodiment relates to a lens for focusing at least two partial rays of a light ray incident on the lens into at least one predetermined depth of an image space, comprising: (a) a focusing unit with at least one optical element; (b) at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit, which is configured to split the light ray entering the lens into at least two partial rays and to pre-compensate at least one aberration of the at least one optical element of the focusing unit; and (c) wherein the at least one optical element is configured to focus the at least two partial rays exiting the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit into the at least one predetermined depth of the image space.
Durch das vorab Kompensieren der Abbildungsfehler der optischen Elemente der Fokussiereinheit des Objekts ermöglicht dieses das gleichzeitige Erzeugen mehrerer beugungsbegrenzter Foki in der gleichen Tiefe einer Probe. Es ist es aber auch möglich, die Vorab-Kompensation derart auszuführen, dass gleichzeitig jeder Teilstrahl einen Fokus in verschiedenen Tiefen des Bildraums erzeugt. Somit erlaubt ein hierin beschriebenes Objektiv ein 2D und auch 3D Erzeugen beugungsbegrenzter Foki. Damit stellt ein erfindungsgemäßes Objektiv eine wichtige Komponente für eine zielgerichtete Materialbearbeitung mit Hilfe von Laser-Strahlen dar. Derzeit ist das Generieren mehrerer Foki in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse die bevorzugte Anwendungsform des beschriebenen Objektivs.By pre-compensating for the aberrations of the optical elements of the focusing unit of the object, it enables the simultaneous generation of multiple diffraction-limited foci at the same depth of a sample. It is also possible to perform the pre-compensation in such a way that each partial beam simultaneously generates a focus at different depths of the image space. Thus, an objective described herein allows for the generation of diffraction-limited foci in both 2D and 3D. Therefore, an objective according to the invention represents an important component for targeted material processing using laser beams. Currently, generating multiple foci in a plane perpendicular to the optical axis is the preferred application of the described objective.
Indem eine Strahl-aufteilende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit neben der Aufteilung eines auf das Objektiv auftreffenden Lichtstrahls in zwei oder mehr Teilstrahlen zusätzlich eine Strahl-formende Funktion übernimmt und dadurch den bzw. die Abbildungsfehler des Objektivs präkompensiert, werden neue Freiheitsgrade für das Auslegen der optischen Komponenten des Objektivs eröffnet. So kann beispielsweise die Anzahl der optischen Elemente der Fokussiereinheit, etwa die Anzahl der zum Fokussieren benötigten Linsen deutlich verringert werden. Dies wirkt sich günstig auf das Gewicht des Objektivs und den benötigten Bauraum zum Unterbringen der optischen Komponenten aus. Indem größere Abbildungsfehler der optischen Elemente der Fokussiereinheit zugelassen werden können, welche von der kombinierten Strahlaufteilenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit vorkompensiert werden, kann gleichzeitig die nutzbare Fläche in der Bildebene des Objektivs signifikant vergrößert werden. Die nutzbare Fläche in der Bildebene stellt den Bereich in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse dar, in welcher Foki gleichzeitig erzeugt werden können.By having a beam-splitting and aberration-compensating unit, in addition to splitting an incident light beam into two or more partial beams, also perform a beam-shaping function and thereby pre-compensate for the lens aberration(s), new degrees of freedom are opened up for the design of the lens's optical components. For example, the number of optical elements in the focusing unit, such as the number of lenses required for focusing, can be significantly reduced. This has a positive effect on the lens's weight and the space required to house the optical components. Furthermore, by allowing larger aberrations in the focusing unit's optical elements, which are pre-compensated by the combined beam-splitting and aberration-compensating unit, the usable area in the lens's image plane can be significantly increased. The usable area in the image plane represents the region in a plane perpendicular to an optical axis in which foci can be generated simultaneously.
Die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit kann in einer Pupillenebene des Objektivs angeordnet sein.The at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit can be arranged in a pupil plane of the objective lens.
Durch die Doppelfunktion der kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit kann ein erfindungsgemäßes Objektiv so ausgelegt werden, dass die innerhalb des Objektivs liegende Pupillenebene für das Einsetzen weiterer optischer Elemente, etwa der kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit, zugänglich wird. Indem zudem gleichzeitig zwei optische Funktionen in der Pupille des Objektivs realisiert werden, kann ein erfindungsgemäßes Objektiv einfach und kompakt gebaut werden. Insbesondere kann auf das Erzeugen konjugierter Pupillen außerhalb des Objektivs verzichtet werden. Dadurch kann die Systemkomplexität eines erfindungsgemäßen Objektivs deutlich verringert werden. Anders ausgedrückt, der Einsatz einer voluminösen Relay-Optik zum Platzieren der kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit in einer außerhalb des Objektivs liegenden konjugierten Pupillenebene in den Strahlengang kann vermieden werden. Selbstredend ist es auch möglich, die kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit außerhalb des Objektivs zu positionieren und mit einem Relay in die Pupillenebene des Objektivs abzubilden.Due to the dual function of the combined beam-splitting and aberration-compensating unit, a lens according to the invention can be designed such that the pupil plane located within the lens becomes accessible for the insertion of further optical elements, such as the combined beam-splitting and aberration-compensating unit. Furthermore, by simultaneously realizing two optical functions in the pupil of the lens, a lens according to the invention can be constructed simply and compactly. In particular, the creation of conjugate pupils outside the lens can be avoided. This significantly reduces the system complexity of a lens according to the invention. In other words, the use of a bulky relay optic to place the combined beam-splitting and aberration-compensating unit in a conjugate pupil plane located outside the lens within the beam path can be avoided. Naturally, it is also possible to position the combined beam-splitting and aberration-compensating unit outside the lens and to image it into the pupil plane of the lens using a relay.
Damit verringert ein leichtes, kompaktes, erfindungsgemäßes Objektiv die zu bewegende Masse einer Laserstrahl-Fokus-Generationseinheit. Ein kleines, leichtes Objektiv lässt sich mit weniger Kraftaufwand bewegen. Zudem treten beim Bewegen des Objektivs weniger Erschütterungen und somit abträgliche Schwingungen auf. Dadurch kann die Materialbearbeitung von Proben auf Basis kurzer intensiver Laser-Pulse gleichzeitig beschleunigt und in der Präzision verbessert werden. Überdies kann durch das simultane Erzeugen einer Vielzahl von Foki in einer Fokusebene des Bildraums der hierfür benötigte Justieraufwand minimiert werden.Thus, a lightweight, compact lens according to the invention reduces the moving mass of a laser beam focus generation unit. A small, lightweight lens requires less force to move. Furthermore, less vibration and therefore fewer detrimental oscillations occur when moving the lens. This allows the material processing of samples based on short, intense laser pulses to be simultaneously accelerated and improved in precision. Moreover, the simultaneous Creating a large number of foci in a focal plane of the image space minimizes the adjustment effort required.
Die Vorteile werden erkauft durch eine Einschränkung des Wellenlängenbereichs, in dem ein in dieser Anmeldung definiertes Objektiv eingesetzt werden kann. Wenn als Lichtquelle ein Laser verwendet wird, stellt dies allerdings keine Einschränkung dar.The advantages come at the cost of a limitation of the wavelength range in which a lens defined in this application can be used. However, this does not pose a limitation if a laser is used as the light source.
Ein Teil des Bildraums, in den die zumindest zwei Teilstrahlen fokussiert werden, kann einen Brechungsindex n > 1 aufweisen. Der Bildraum kann eine Probe mit n2 > 1 aufweisen. Ein Teil des Bildraums, insbesondere der zwischen dem Ausgang des Objektivs und der Probe kann ein Immersionsmedium mit einem Brechungsindex ni aufweisen; wenn das Immersionsmedium ein Gas ist, so ist typischerweise ni ≈ 1. Ferner kann der Bildraum eine Probenhalterung mit n1 > 1 und eine Probe mit n2 > 1 umfassen. Typischerweise gilt: n2 ≥ n1. Ein erfindungsgemäßes Objektiv kann aber auch für den Fall n2 < n1 ausgelegt werden.A portion of the image space, into which the at least two partial beams are focused, can have a refractive index n > 1. The image space can contain a sample with n₂ > 1. A portion of the image space, particularly that between the objective lens outlet and the sample, can contain an immersion medium with a refractive index nᵢ ; if the immersion medium is a gas, typically nᵢ ≈ 1. Furthermore, the image space can include a sample holder with n₁ > 1 and a sample with n₂ > 1. Typically, n₂ ≥ n₁ . However, an objective according to the invention can also be designed for the case n₂ < n₁ .
Eine Pupille oder eine Pupillenebene kann als eine Blende des Objektivs aufgefasst werden, eine konjugierte Pupille des Objektivs kann als Bild der Pupille des Objektivs betrachtet werden. Unter einer Blende kann eine definierte Begrenzung der Apertur eines Lichtstrahls oder eines Photonenstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse des Objektivs verstanden werden, die beispielsweise durch ein den Lichtstrahl begrenzendes Element des Objektivs verursacht wird. Dabei kann die Begrenzung im Wesentlichen unabhängig von der Auslenkung des Lichtstrahls im Objektiv sein, d.h. Lichtbündel, welche zu verschiedenen Bildpunkten in der Probe gehören, werden beinahe ausschließlich durch die Blende begrenzt. Somit kann das Objektiv so ausgelegt sein, dass der Lichtstrahl bzw. die erzeugten Teilstrahlen die Öffnung bzw. den Durchmesser der Pupille passieren. Dies gilt auch beim Verschieben einzelner optischer Elemente entlang der optischen Achse des Objektivs. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Begrenzung mit der Begrenzung der kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit zusammenfällt - in diesem Falle stellt die kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit gleichzeitig auch die Blende dar. Als Hauptstrahlen werden diejenigen Lichtstrahlen bezeichnet, welche durch die Mitte der Blende verlaufen. Ist die Blende so positioniert, dass die Hauptstrahlen zwischen Objektiv und Probe näherungsweise parallel zueinander verlaufen, wird dieses als „telezentrisches Objektiv“ bezeichnet. Ein telezentrisches Objektiv ist vorteilhaft, weil dann die zu verschiedenen Teilstrahlen gehörigen Wellenfronten für verschiedene Fokustiefen in der gleichen Art beeinflusst werden.A pupil or pupil plane can be considered an aperture of the objective lens, and a conjugate pupil of the objective lens can be viewed as an image of the pupil of the objective lens. An aperture can be understood as a defined limitation of the aperture of a light ray or photon beam in a plane perpendicular to the optical axis of the objective lens, caused, for example, by a beam-limiting element of the objective lens. This limitation can be essentially independent of the deflection of the light ray within the objective lens; that is, light beams belonging to different image points in the sample are limited almost exclusively by the aperture. Thus, the objective lens can be designed such that the light ray, or the generated partial beams, pass through the opening or diameter of the pupil. This also applies when individual optical elements are moved along the optical axis of the objective lens. In particular, it is also possible that the limit coincides with the limit of the combined beam-splitting and aberration-compensating unit – in this case, the combined beam-splitting and aberration-compensating unit also constitutes the aperture. The principal rays are those light rays that pass through the center of the aperture. If the aperture is positioned such that the principal rays between the objective and the sample are approximately parallel to each other, this is called a "telecentric objective." A telecentric objective is advantageous because the wavefronts belonging to different partial rays are then affected in the same way for different focal depths.
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Objektive können telezentrisch sein. Dadurch verlaufen bei planer Probe die Hauptstrahlen in dem der Probe vorgelagerten Medium parallel und haben den gleichen Einfallswinkel in die Probe. Dies bedeutet, dass alle Teilstrahlen die gleichen Wellenfrontänderungen erfahren, um Foki in einer bestimmten Tiefe der Probe zu erzeugen.The lenses described in this application can be telecentric. This means that, with a planar sample, the principal beams in the medium in front of the sample are parallel and have the same angle of incidence into the sample. This implies that all partial beams undergo the same wavefront changes to create foci at a specific depth within the sample.
Die Pupille des Objektivs kann optisch zugänglich sein, d.h. eine optische Komponente, etwa eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit, kann in die Pupille eingebracht werden, so dass die Funktion(en) der optischen Komponenten in der Pupillenebene ausgeführt werden. Typischerweise wird die Funktionalität oder das Leistungsvermögen eines Objektivs optimiert, wenn die kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit in einer Pupillenebene des Objektivs angeordnet wird. Falls jedoch die Pupille des Objektivs innerhalb eines der optischen Elemente liegt, kann die Pupille bzw. die Pupillenebene nicht zum Einbringen weiterer optischer Komponenten in den Strahlengang des Objektivs verwendet werden.The lens pupil can be optically accessible, meaning that an optical component, such as a combined beam-splitting and aberration-compensating unit, can be placed within the pupil so that the function(s) of the optical component(s) are performed in the pupil plane. Typically, the functionality or performance of a lens is optimized when the combined beam-splitting and aberration-compensating unit is located within the lens's pupil plane. However, if the lens pupil lies within one of the optical elements, the pupil or the pupil plane cannot be used to introduce further optical components into the lens's beam path.
Das Objektiv kann eingerichtet sein, so dass die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit eine Blende des Objektivs bildet.The lens can be configured so that at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit forms an aperture of the lens.
Unabhängig davon, ob die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler kompensierende Einheit die Blende des Objektivs bildet, kann eine optische Komponente als in einer Pupillenebene angebracht angesehen werden, falls ein Großteil des Lichtstrahls durch die optische Komponente, etwa die kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit, hindurchtritt. Ein Großteil des Lichtstrahls umfasst zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90%, mehr bevorzugt zumindest 95%, und am meisten bevorzugt zumindest 99% seiner optischen Intensität. Hierfür kann die optische Komponente mit einer Abweichung von der Pupillenebene entlang der optischen Achse des Objektivs von weniger als ± 10 mm, bevorzugt weniger als ± 5 mm, mehr bevorzugt weniger als ± 2 mm, und am meisten bevorzugt von weniger ± 1 mm angeordnet sein.Regardless of whether the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit forms the aperture of the lens, an optical component can be considered to be located in the pupil plane if a large portion of the light beam passes through the optical component, such as the combined beam-splitting and aberration-compensating unit. A large portion of the light beam comprises at least 80%, preferably at least 90%, more preferably at least 95%, and most preferably at least 99% of its optical intensity. For this purpose, the optical component can be arranged with a deviation from the pupil plane along the optical axis of the lens of less than ± 10 mm, preferably less than ± 5 mm, more preferably less than ± 2 mm, and most preferably less than ± 1 mm.
Es ist vorteilhaft, ein Objektiv einzusetzen, dessen Abbildungsqualität im Wesentlichen unabhängig vom Feldpunkt ist. Diese Eigenschaft weisen typischerweise Mikroskop-Objektive auf. Deshalb können die in dieser Anmeldung beschriebenen Mikroskope in Form von Mikroskop-Objektiven ausgeführt werden.It is advantageous to use an objective whose image quality is essentially independent of the field point. Microscope objectives typically possess this property. Therefore, the microscopes described in this application can be implemented in the form of microscope objectives.
Das zumindest eine optische Element kann auf Basis zumindest eines eingerichtet sein aus: Reflexion, Refraktion oder Diffraktion, und/oder die zumindest eine Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit kann basierend auf Diffraktion eingerichtet sein.The at least one optical element can be set up based on at least one of: reflection, refraction or diffraction, and/or the at least one beam-splitting and aberration-compensating unit can be set up based on diffraction.
Das zumindest eine optische Element kann zumindest eines umfassen: einen Spiegel oder eine Linse oder ein nicht-strahlaufspaltendes diffraktives optisches Element. Die Fokussiereinheit kann zumindest eines umfassen aus: ein Linsensystem aus zwei oder mehr Linsen, ein Spiegelsystem aus zwei oder mehr Spiegeln, zwei oder mehr nicht-strahlaufspaltende diffraktive Elemente, oder ein kombiniertes System aus Linsen, Spiegeln und nicht-strahlaufspaltenden diffraktiven Elementen.The optical element can comprise at least one of the following: a mirror, a lens, or a non-beam-splitting diffractive optical element. The focusing unit can comprise at least one of the following: a lens system of two or more lenses, a mirror system of two or more mirrors, two or more non-beam-splitting diffractive elements, or a combined system of lenses, mirrors, and non-beam-splitting diffractive elements.
Die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit kann ein diffraktives optisches Element (DOE) umfassen. Das diffraktive optische Element kann ein Strahl-aufspaltendes diffraktives optisches Element umfassen. Das diffraktive optische Element kann ein diffraktives optisches Element umfassen, das nicht Strahl-aufspaltend wirkt.The at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit can include a diffractive optical element (DOE). The diffractive optical element can include a beam-splitting diffractive optical element. The diffractive optical element can include a diffractive optical element that does not split the beam.
Das zumindest eine diffraktive optische Element kann zumindest ein Element der Gruppe umfassen: ein adaptives optisches Element, ein aktives optisches Element, ein Hologramm, oder einen räumlichen Modulator für Licht (spatial light modulator).The at least one diffractive optical element can include at least one element of the group: an adaptive optical element, an active optical element, a hologram, or a spatial light modulator.
Adaptive optische Elemente mit Flüssigkristall-Korrekturelementen, etwa LCOS (liquid crystal on silicon) oder LCSLM (liquid crystal spatial light modulator) können Wellenfronten auch in Transmission variieren, und somit in einem Objektiv eingesetzt werden. Derzeit ist deren Auflösungsvermögen und/oder Einstellgeschwindigkeit für hochpräzise Anwendungen im Bereich der Materialbearbeitung noch nicht ausreichend. Dies trifft auch auf andere Typen elektrisch ansteuerbarer räumlicher Modulatoren für Licht (EASLM, electric addressable spatial light modulator) zu.Adaptive optical elements with liquid crystal correction elements, such as LCOS (liquid crystal on silicon) or LCSLM (liquid crystal spatial light modulator), can vary wavefronts even in transmission and can therefore be used in a lens. Currently, their resolution and/or adjustment speed are not yet sufficient for high-precision applications in materials processing. This also applies to other types of electrically addressable spatial light modulators (EASLM).
Das Hologramm kann ein Computer-generiertes Hologramm umfassen. Das Computer-generierte Hologramm kann ein mehrstufiges Computer-generiertes Hologramm umfassen. Das mehrstufige Computer-generierte Hologramm kann 2n Digitalisierungsstufen umfassen, wobei vorzugsweise n ≥ 1, mehr bevorzugt n ≥ 2, und am meisten bevorzugt n ≥ 3 ist.The hologram can be a computer-generated hologram. The computer-generated hologram can be a multi-stage computer-generated hologram. The multi-stage computer-generated hologram can comprise 2^ n digitization stages, where preferably n ≥ 1, more preferably n ≥ 2, and most preferably n ≥ 3.
Das Objektiv ist eingerichtet, die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit als wechselbare Komponente in das Objektiv aufzunehmen.The lens is designed to accommodate at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit as an interchangeable component.
Die Möglichkeit des Wechselns einer kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit bzw. eines DOE ermöglicht den Aufbau eines modularen Objektivs. Dadurch werden dessen Einsatzmöglichkeiten enorm erweitert. Details zu diesem Punkt werden nachfolgend erläutert.The ability to exchange a combined beam-splitting and aberration-compensating unit, or a DOE, allows for the construction of a modular lens. This greatly expands its range of applications. Details on this point are explained below.
Das Objektiv kann eine Einrichtung zum kontrollierten Einbringen und Entfernen einer kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit in das Objektiv aufweisen. Nachfolgend wird eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit als kombinierte Einheit abgekürzt. Beispielsweise kann eine kombinierte Einheit, etwa in Form eines DOE, in ein Objektiv gesteckt, geklemmt oder geschraubt werden. Das Objektiv kann ein Magazin umfassen, das dafür ausgelegt ist, einen Satz kombinierter Einheiten aufzunehmen, und bei Bedarf in den Strahlengang des Objektivs einzubringen und wieder zu entfernen. Das Wechseln einer kombinierten Einheit kann manuell, halbautomatisch oder automatisch eingerichtet sein. Das Magazin kann als drehbare Trommel ausgeführt werden.The lens may incorporate a device for the controlled insertion and removal of a combined beam-splitting and aberration-compensating unit. Hereinafter, a combined beam-splitting and aberration-compensating unit is referred to as a combined unit. For example, a combined unit, such as a DOE, may be inserted, clamped, or screwed into a lens. The lens may include a magazine designed to hold a set of combined units and to insert and remove them from the lens's beam path as needed. Changing a combined unit may be configured to be manual, semi-automatic, or automatic. The magazine may be a rotating drum.
Das Objektiv kann eine bildseitige Numerische Apertur (NA) von größer 0,3, bevorzugt größer 0,5, mehr bevorzugt größer 0,7, und am meisten bevorzugt größer 0,9 aufweisen. Wie bereits oben ausgeführt, hängt die benötigte bzw. geforderte NA eines Objektivs vom spezifischen Anwendungsfall ab.The lens can have an image-side numerical aperture (NA) greater than 0.3, preferably greater than 0.5, more preferably greater than 0.7, and most preferably greater than 0.9. As already explained above, the required NA of a lens depends on the specific application.
Ein wichtiger Teil der Materialbearbeitung ist das Schreiben von Pixeln in eine Probe, um gezielt lokale Materialänderungen zu bewirken. Zum Erzeugen von Pixeln wird optische Strahlung in einem sehr kleinen Volumen, typischerweise einem Laser-Fokus, konzentriert. Die Größe des Fokusbereichs in Strahlrichtung kann durch den axialen Rayleigh-Parameter beschrieben werden:
Ein Bildfeld des Objektivs kann einen halben Durchmesse größer 0,1 mm, bevorzugt größer 0,5 mm, mehr bevorzugt größer 2 mm, und am meisten bevorzugt größer 5 mm aufweisen. Der bevorzugte Durchmesser des Feldbereichs hängt von der Anzahl der Teilstrahlen und dem Abstand von deren Foki im Feldbereich ab. Eine obere Grenze der Anzahl der Teilstrahlen hängt zum einen von der kombinierten Einheit ab. Zum anderen limitiert die Leistung des in das Objektiv einfallenden Laser-Strahls die in den Foki der Teilstrahlen erreichbare Energiedichte. Die maximal nutzbare Anzahl an Teilstrahlen hängt vom Anwendungsfall ab.The image field of the lens can have a half-diameter greater than 0.1 mm, preferably greater than 0.5 mm, more preferably greater than 2 mm, and most preferably greater than 5 mm. The preferred diameter of the field area depends on the number of partial beams and the spacing of their foci within the field area. An upper limit to the number of partial beams depends, firstly, on the combined unit. Secondly, the power of the laser beam incident on the lens limits the energy density achievable at the foci of the partial beams. The maximum usable number of partial beams depends on the application.
Indem die kombinierte Einheit zusätzlich die Korrektur der Abbildungsfehler des einen oder der mehren optischen Elemente der Fokussiereinheit übernimmt, können diese mit deutlich größerer Flexibilität gewählt werden, muss doch beim Auslegen der Fokussiereinheit auf deren Aberration deutlich weniger Rücksicht genommen werden. Die gewonnene Designfreiheit kann dazu benutzt werden, einen Durchmesser des nutzbaren Bildbereichs, um etwa eine Größenordnung zu erhöhen. In der Materialbearbeitung eröffnet dies die Möglichkeit, mit einem Justiervorgang größere Probenflächen zu bearbeiten, und dadurch den Bearbeitungsprozess wesentlich zu beschleunigen.By having the combined unit additionally correct the aberrations of one or more optical elements of the focusing unit, these elements can be selected with significantly greater flexibility, as far less consideration needs to be given to their aberrations when designing the focusing unit. The resulting design freedom can be used to increase the diameter of the usable image area by approximately one order of magnitude. In materials processing, this opens up the possibility of processing larger sample areas in a single adjustment operation, thereby significantly accelerating the processing time.
Die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit kann ferner eingerichtet sein, im Bildraum eines zu erzeugen aus: rotationssymmetrische Wellenfronten für rotationssymmetrische Foki oder nicht-rotationssymmetrische Wellenfronten für nicht-rotationssymmetrische Foki für die zumindest zwei Teilstrahlen.The at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit can further be configured to generate in the image space one of: rotationally symmetric wavefronts for rotationally symmetric foci or non-rotationally symmetric wavefronts for non-rotationally symmetric foci for the at least two partial beams.
Die Rotationssymmetrie von Lichtstrahlen bzw. Teilstrahlen bezieht sich auf deren jeweilige optische Achse. Nicht-rotationssymmetrische Wellenfronten führen zu asphärischen Foki der zumindest zwei Teilstrahlen. Asphärische Foki können zumindest eines umfassen aus: astigmatische Foki oder Koma-behaftete Foki. Ferner kann die kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler kompensierende Einheit eingerichtet sein, verschiedene Foki-Formen für die zumindest zwei Teilstrahlen zu generieren. Beispielsweise kann eine kombinierte Einheit eingerichtet sein, einen rotationssymmetrischen und einen nicht-rotationssymmetrischen Fokus beim Fokussieren der zumindest zwei Teilstrahlen zu erzeugen. Ein sphärischer Fokus weist eine Rotationssymmetrie um dessen optische Achse auf, wohingegen einem asphärischen Fokus diese Symmetrieeigenschaft fehlt.The rotational symmetry of light rays or partial rays refers to their respective optical axes. Non-rotationally symmetric wavefronts result in aspherical foci for at least two partial rays. Aspherical foci can include at least one of the following: astigmatic foci or coma-affected foci. Furthermore, the combined beam-splitting and aberration-compensating unit can be configured to generate different focus shapes for the at least two partial rays. For example, a combined unit can be configured to produce a rotationally symmetric and a non-rotationally symmetric focus when focusing the at least two partial rays. A spherical focus exhibits rotational symmetry about its optical axis, whereas an aspherical focus lacks this symmetry property.
Beispielsweise kann durch Generieren von in definierter Weise eingestellten elliptischen Foki ein erfindungsgemäßes Objektiv dafür eingesetzt werden, in einer Probe Pixel zu erzeugen, die in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung signifikant von einer Kreisform abweichen. Die spezifische Art von Pixeln kann zum Beispiel zur Korrektur von Platzierungsfehlern von Pattern-Elementen auf Fotomasken eingesetzt werden.For example, by generating elliptical foci set in a defined manner, a lens according to the invention can be used to create pixels in a sample that deviate significantly from a circular shape in a plane perpendicular to the beam direction. This specific type of pixel can be used, for example, to correct placement errors of pattern elements on photomasks.
Der zumindest eine Abbildungsfehler des zumindest eines optischen Elements der Fokussiereinheit des Objektivs kann zumindest eines umfassen: sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus, oder Petzval-Krümmung.The at least one aberration of the at least one optical element of the focusing unit of the lens can include at least one of the following: spherical aberration, coma, astigmatism, or Petzval curvature.
Eine Wellenfront eines Teilstrahls, die von einer vorgegebenen Referenz-Wellenfront des Teilstrahl abweicht, resultiert in einem Abbildungsfehler des Objektivs. Eine Referenz-Wellenfront eines Teilstrahls kann eine Rotationssymmetrie um die optische Achse des Teilstrahls aufweisen. Einer Referenz-Wellenfront kann diese Symmetrieeigenschaft fehlen.A wavefront of a partial beam that deviates from a predefined reference wavefront of the partial beam results in an aberration of the lens. A reference wavefront of a partial beam can exhibit rotational symmetry about the optical axis of the partial beam. A reference wavefront may also lack this symmetry property.
Die kombinierte Einheit kann eingerichtet sein, die zumindest zwei Teilstrahlen mit gleicher optischer Intensität zu erzeugen. Ferner kann die kombinierte Einheit eingerichtet sein, einen Abstand der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen auf einen vorgegebenen Wert einzustellen.The combined unit can be configured to generate at least two partial beams with the same optical intensity. Furthermore, the combined unit can be configured to set the distance between the foci of the at least two partial beams to a predetermined value.
Typischerweise und vorzugsweise liegen die Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in einer Fokusebene im Bildraum, d.h. auf einer Probe oder innerhalb einer Probe mit einem gleichen Abstand zur Probenoberfläche. Es ist aber auch möglich, eine kombinierte Einheit so auszulegen oder einzurichten, dass das die kombinierte Einheit enthaltende Objektiv Foki für die verschiedenen Teilstrahlen in verschiedenen Tiefen oder Eindringtiefen in einer Probe generiert.Typically and preferably, the foci of at least two partial beams lie in a focal plane in image space, i.e., on or within a sample at an equidistant distance from the sample surface. However, it is also possible to design or configure a combined unit such that the A combined unit containing a lens generates foci for the different partial beams at different depths or penetration depths in a sample.
Die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit kann zumindest einen ersten Satz kombinierter Strahl-aufspaltender und Abbildungsfehler-kompensierender Einheiten umfassen, wobei jede kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit des ersten Satzes kombinierter Strahl-aufspaltender und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit ausgebildet ist, den zumindest einen Abbildungsfehler des Objektivs für eine vorgegebene Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen vollständig oder zumindest näherungsweise zu korrigieren, wobei die vorgegebene Eindringtiefe in den Bildraum für jedes Element des ersten Satzes verschieden ist.The at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit can comprise at least one first set of combined beam-splitting and aberration-compensating units, wherein each combined beam-splitting and aberration-compensating unit of the first set of combined beam-splitting and aberration-compensating units is configured to completely or at least approximately correct the at least one aberration of the lens for a predetermined penetration depth of the foci of the at least two partial beams, wherein the predetermined penetration depth into the image space is different for each element of the first set.
Die Foki der zumindest zwei Teilstrahlen können bezüglich ihrer Tiefe durch eine Probe hindurch abgestimmt werden, indem der Arbeitsabstand des Objektivs für die jeweilige Eindringtiefe der Foki eingestellt wird, und die für die jeweilige Eindringtiefe vorgesehene kombinierte Einheit in den Strahlengang des Objektivs eingebracht wird. Dabei bezeichnet der Arbeitsabstand einen Abstand gemessen vom Objektiv zur Probe (genauer des nächsten Punktes des Objektivs zur Probe), wobei die Messung entlang einer optischen Achse erfolgt. Das Durchstimmen der Foki durch eine Probe hindurch muss nicht in äquidistanten Schritten erfolgen, vielmehr können kombinierte Einheiten für jede beliebige Eindringtiefe der Foki designt und hergestellt werden. Durch einen Satz kombinierter Einheiten kann der Einsatz eines Wellenfrontmodulators zum Durchstimmen der Foki durch eine Probe hindurch vermieden werden.The foci of at least two partial beams can be tuned with respect to their depth through a sample by adjusting the working distance of the objective for the respective penetration depth of the foci and inserting the combined unit designed for that penetration depth into the objective's beam path. The working distance is defined as the distance measured from the objective to the sample (more precisely, from the point on the objective closest to the sample), with the measurement taken along an optical axis. Tuning the foci through a sample does not need to be performed in equidistant steps; rather, combined units can be designed and manufactured for any desired penetration depth. Using a set of combined units eliminates the need for a wavefront modulator to tune the foci through a sample.
Jedes Element des ersten Satzes kombinierter Einheiten kann in zumindest zwei Ausprägungen vorliegen, wobei eine erste Ausprägung sphärische Foki bzw. rotationssymmetrische Wellenfronten und eine zweite Ausprägung asphärische Foki bzw. nicht-rotationssymmetrische Wellenfronten generiert, wenn die entsprechende kombinierte Einheit in das Objektiv eingesetzt wird. Ein erfindungsgemäßes Objektiv kann somit zum Erzeugen verschiedener Arten von Pixeln in verschiedenen Tiefen einer Probe eingesetzt werden.Each element of the first set of combined units can exist in at least two forms, wherein a first form generates spherical foci or rotationally symmetric wavefronts and a second form generates aspherical foci or non-rotationally symmetric wavefronts when the corresponding combined unit is inserted into the lens. A lens according to the invention can thus be used to generate different types of pixels at different depths of a sample.
Die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit kann zumindest einen zweiten Satz kombinierter Strahl-aufspaltender und Abbildungsfehler-kompensierende Einheiten umfassen, wobei jede kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit des zweiten Satzes eine vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen erzeugt, wobei die vorgegebene Anzahl von Teilstrahlen für jedes Element des zweiten Satzes verschieden ist.The at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit can comprise at least one second set of combined beam-splitting and aberration-compensating units, wherein each combined beam-splitting and aberration-compensating unit of the second set generates a predetermined number of partial beams, the predetermined number of partial beams being different for each element of the second set.
Kombinierte Einheiten, etwa in Form von DOEs, können dafür ausgelegt werden, einen auftreffenden Lichtstrahl in eine nahezu beliebige, frei wählbare Anzahl von Teilstrahlen aufzuspalten. Ebenso ist die Anordnung der Teilstrahlen einstellbar. Beispielsweise können zwei oder mehr Teilstrahlen als auf einer Geraden liegend oder in Gestalt einer zweidimensionalen (2D) geometrischen Struktur ausgelegt werden. Zudem ist es möglich, die Abstände benachbarter Teilstrahlen einzustellen, um mögliche Einschränkungen der Probe beispielsweise hinsichtlich der pro Flächeneinheit zu applizierender Energie zu berücksichtigen.Combined units, such as DOEs, can be designed to split an incident light beam into a virtually any number of freely selectable partial beams. The arrangement of these partial beams is also adjustable. For example, two or more partial beams can be arranged as lying on a straight line or in the form of a two-dimensional (2D) geometric structure. Furthermore, it is possible to adjust the spacing between adjacent partial beams to accommodate potential limitations of the sample, such as the energy that can be applied per unit area.
Die Anzahl der Teilstrahlen kann mehr als 2, bevorzugt mehr als 10, mehr bevorzugt mehr als 30, und am meisten bevorzugt mehr als 50 oder sogar mehr als 150 betragen.The number of partial beams can be more than 2, preferably more than 10, more preferably more than 30, and most preferably more than 50 or even more than 150.
Es ist ferner möglich, eine erste Anzahl von Teilstrahlen mit sphärischen Foki und eine zwei Anzahl von Teilstrahlen mit asphärischen Foki auszustatten.It is also possible to equip a first number of partial beams with spherical foci and a second number of partial beams with aspherical foci.
Zum einen ermöglicht die stark erhöhte Größe des nutzbaren Bildbereichs des Objektivs ein beugungsbegrenztes Fokussieren einer großen Anzahl an Teilstrahlen in eine definierte Tiefe einer Probe. Zum anderen bietet der große Bildbereich des Objektivs das gleichzeitige Bearbeiten eines großen Probenabschnitts. Das hier beschriebene Objektiv erzeugt beugungsbegrenzte Foki, falls die in den Foki erzeugten Wellenfronten Abweichungen gegenüber entsprechenden Referenz-Wellenfronten aufweisen, die kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert sind. Diese Abweichung kann beispielsweise als ein RMS-Wert (root mean square) definiert werden. Dieser RMS-Wert kann auf die Wellenlänge der Teilstrahlen bezogen werden. Die Abweichung der vom Objektiv erzeugten Wellenfronten in Bezug auf die entsprechenden Referenz-Wellenfronten kann < 60 mλ, bevorzugt < 40 mλ, mehr bevorzugt < 20 mλ, und am meisten bevorzugt < 10 mλ betragen. Dabei steht mλ für milli-Lambda, d.h. ein Promille der Wellenlänge.Firstly, the significantly increased size of the objective's usable image area enables diffraction-limited focusing of a large number of partial beams to a defined depth within a sample. Secondly, the objective's large image area allows for the simultaneous processing of a large sample section. The objective described here produces diffraction-limited foci if the wavefronts generated in the foci exhibit deviations from corresponding reference wavefronts that are smaller than a predefined threshold. This deviation can be defined, for example, as an RMS (root mean square) value. This RMS value can be related to the wavelength of the partial beams. The deviation of the wavefronts generated by the objective with respect to the corresponding reference wavefronts can be < 60 mλ, preferably < 40 mλ, more preferably < 20 mλ, and most preferably < 10 mλ. Here, mλ stands for milli-lambda, i.e., one part per thousand of the wavelength.
Es ist natürlich möglich, Pixel in einer Probe zu erzeugen, indem zwei oder mehr aufeinanderfolgende Laser-Pulse auf eine Stelle der Probe gerichtet werden. Dabei ist es möglich, die Pixel in unterschiedlichen Tiefen zu erzeugen.It is of course possible to create pixels in a sample by directing two or more successive laser pulses at a single point on the sample. It is also possible to create pixels at different depths.
Selbstredend ist es auch möglich, eine kombinierte Einheit dafür auszulegen, die Abbildungsfehler des Objekts für nur einen das Objektiv passierenden Lichtstrahl zu korrigieren. D.h. eine kombinierte Einheit kann ausgelegt werden, die Funktion des Strahlformens oder der Abbildungsfehlerkompensation, ohne die Funktion des Strahlteilens zu realisieren. Dies bedeutet, ein DOE kann Strahl-aufspaltend oder nicht Strahl-aufspaltend ausgelegt werden.Naturally, it is also possible to design a combined unit to correct the object's aberrations for only one light beam passing through the lens. That is, a combined unit can be designed to perform beam shaping or aberration compensation without beam splitting. This means a DOE can be designed to split or split beams.
Die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit kann einen dritten Satz kombinierter Strahl-aufspaltender und Abbildungsfehler-kompensierender Einheiten umfassen, deren Wellenlänge auf die Wellenlänge einer Belichtungsquelle des Objektivs abgestimmt ist. Die Belichtungsquelle kann eine Laser-Strahlquelle, insbesondere eine ultra-kurze Pulse erzeugende Laser-Strahlquelle umfassen.The at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit may include a third set of combined beam-splitting and aberration-compensating units whose wavelength is tuned to the wavelength of an exposure source of the lens. The exposure source may include a laser beam source, in particular an ultra-short pulse-generating laser beam source.
Typischerweise kann eine kombinierte Einheit für das Belichten des Objektivs mit einer schmalbandigen Lichtquelle ausgelegt werden. Die optischen Elemente der Fokussiereinheit, beispielsweise eine Linse oder ein Linsensystem der Fokussiereinheit des Objektivs können jedoch in einem breiten Spektralbereich von mehreren 100 nm eingesetzt werden. Durch Einbringen einer auf die Belichtungsquelle abgestimmte kombinierte Einheit kann ein in dieser Anmeldung beschriebenes Objektiv in einem breiten Spektralbereich eingesetzt werden, und erschließt dadurch einem erfindungsgemäßen Objektiv ein riesiges Anwendungsspektrum. Selbstredend ist es auch möglich, erfindungsgemäße Objektive durch den festen Einbau einer kombinierten Einheit in das Objektiv auf die jeweilige Belichtungsquelle abzustimmen.Typically, a combined unit can be designed for illuminating the lens with a narrowband light source. However, the optical elements of the focusing unit, for example, a lens or lens system of the focusing unit of the lens, can be used in a broad spectral range of several hundred nm. By incorporating a combined unit adapted to the exposure source, a lens described in this application can be used in a broad spectral range, thus opening up a vast range of applications for a lens according to the invention. Naturally, it is also possible to adapt lenses according to the invention to the respective exposure source by permanently installing a combined unit within the lens.
Ein erfindungsgemäßes Objektiv eröffnet somit neue Freiheitsgrade in verschiedene Richtungen oder Dimensionen, nämlich hinsichtlich der Belichtungswellenlänge, der Anzahl nutzbarer Teilstrahlen, der Eindringtiefe der Foki in die Probe sowie der nutzbaren Bildgröße.An objective according to the invention thus opens up new degrees of freedom in various directions or dimensions, namely with regard to the exposure wavelength, the number of usable partial beams, the penetration depth of the foci into the sample and the usable image size.
Das Objektiv kann telezentrisch eingerichtet sein. Das Objektiv kann probenseitig telezentrisch ausgelegt sein. Durch die Telezentrizität des Objektivs sind die die kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit verlassenden Teilstrahlen zwischen Objektiv und Probe parallel zu einer optischen Achse des Objektivs ausgerichtet.The objective lens can be telecentrically configured. The objective lens can be telecentrically designed on the sample side. Due to the telecentricity of the objective lens, the partial beams exiting the combined beam-splitting and aberration-compensating unit are aligned parallel to an optical axis of the objective lens between the objective lens and the sample.
Das Objektiv kann, wie oben angegeben, durch einen RMS-Wert zwischen den Referenz-Wellenfronten und den für die zumindest zwei Teilstrahlen erzeugten Wellenfronten charakterisiert werden. Dieser kann z.B. einen Wert von kleiner 60 Milli-Lambda, besser kleiner 40 Milli-Lambda, bevorzugt kleiner als 20 Milli-Lambda und noch vorteilhafter kleiner als 10 Milli-Lambda aufweisen. Im Falle sphärischer Wellenfronten entspricht dies Strehl-Zahlen größer 0,85, 0,93, 0,98 bzw. 0,99. Die Strehl-Zahl gibt als dimensionslose Größe bei sphärischer Referenz-Wellenfront das Verhältnis der gemessenen maximalen Intensität einer Punktlichtquelle in der Bildebene zur theoretisch maximalen Intensität eines perfekten optischen Systems, etwa eines Objektivs, an. Nach dieser Definition ist die maximale Strehl-Zahl 1.As stated above, the lens can be characterized by an RMS value between the reference wavefronts and the wavefronts generated for the at least two partial beams. This value can be, for example, less than 60 millilambda, preferably less than 40 millilambda, ideally less than 20 millilambda, and even more advantageously less than 10 millilambda. In the case of spherical wavefronts, this corresponds to Strehl ratios greater than 0.85, 0.93, 0.98, or 0.99, respectively. The Strehl ratio, as a dimensionless quantity for a spherical reference wavefront, indicates the ratio of the measured maximum intensity of a point light source in the image plane to the theoretically maximum intensity of a perfect optical system, such as a lens. According to this definition, the maximum Strehl ratio is 1.
Das zumindest eine optische Element kann zumindest eine erste Linse umfassen. Die zumindest eine erste Linse kann eine Linsengruppe mit drei Linsen, bevorzugt zwei Linsen, und am meisten bevorzugt einer Linse umfassen. Der Brechungsindex der zumindest einen ersten Linse kann größer 1,5, bevorzugt größer 1,7, und am meisten bevorzugt größer 1,8 sein. Die Belichtungswellenlänge des Objektivs kann einen Bereich von 150 nm bis 1700 nm umfassen. Die Belichtungswellenlänge hängt vom Material der zu bestrahlenden Probe ab. Es ist günstig, diese so zu wählen, dass die Probe für diese Wellenlänge eine möglichst große optische Transparenz aufweist. Für halbleitende Proben kann dies bedeuten, Belichtungswellenlängen aus dem infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu verwenden.The at least one optical element can comprise at least one first lens. The at least one first lens can comprise a lens group with three lenses, preferably two lenses, and most preferably one lens. The refractive index of the at least one first lens can be greater than 1.5, preferably greater than 1.7, and most preferably greater than 1.8. The exposure wavelength of the objective can range from 150 nm to 1700 nm. The exposure wavelength depends on the material of the sample to be irradiated. It is advantageous to select it such that the sample exhibits the greatest possible optical transparency at that wavelength. For semiconducting samples, this may mean using exposure wavelengths from the infrared region of the electromagnetic spectrum.
Das Objektiv kann ferner zumindest eine nicht-rotationssymmetrisches optisches Element umfassen, welches eingerichtet ist nicht-rotationsymmetrische Foki für die zumindest zwei Teilstrahlen im Bildraum zu erzeugen.The lens may further comprise at least one non-rotationally symmetric optical element which is designed to generate non-rotationally symmetric foci for the at least two partial rays in the image space.
Das zumindest eine nicht-rotationssymmetrische optische Element kann drehbar um eine optische Achse eingerichtet sein. Das Objektiv kann eingerichtet sein, das zumindest eine nicht-rotationssymmetrische optische Element wechselbar aufzunehmen.The at least one non-rotationally symmetric optical element can be rotatable about an optical axis. The lens can be configured to accommodate the at least one non-rotationally symmetric optical element in an interchangeable manner.
Sowohl die Drehbarkeit als auch die Austauschbarkeit des zumindest einen nicht-rotationssymmetrischen Elements ermöglicht das Erzeugen von Foki deren Wellenfronten in definierter Form von einer sphärischen Wellenfront abweichen. Dadurch kann ein erfindungsgemäßes Objektiv flexibel für ein breites Anwendungsspektrum konfiguriert werden.Both the rotatability and the interchangeability of the at least one non-rotationally symmetric element enable the creation of foci whose wavefronts deviate from a spherical wavefront in a defined manner. This allows a lens according to the invention to be flexibly configured for a wide range of applications.
Das zumindest eine nicht-rotationssymmetrische optische Element kann eine Linse umfassen, die zwei verschiedene Hauptachsenkrümmungen aufweist. Ferner kann das zumindest eine nicht-rotationssymmetrische optische Element eine Zylinderlinse umfassen.The at least one non-rotationally symmetric optical element can comprise a lens having two different principal axis curvatures. Furthermore, the at least one non-rotationally symmetric optical element can comprise a cylindrical lens.
Das zumindest eine nicht-rotationssymmetrische optische Element kann in Strahlrichtung vor oder nach der zumindest einen kombinierten Einheit angeordnet sein.The at least one non-rotationally symmetric optical element can be arranged in the beam direction in front of or behind the at least one combined unit.
Neben oder alternativ zum Erzeugen von zwei oder mehr rotationssymmetrischen Foki durch ein erfindungsgemäßes Objektiv mit kombinierter Einheit ist es auch möglich, nicht-rotationssymmetrische Foki für zwei oder mehr Teilstrahlen durch Einbringen zumindest eines nicht-rotationssymmetrischen optischen Elements, beispielsweiser einer Zylinderlinse, in den Strahlengang des Objektivs zu generieren.In addition to or as an alternative to generating two or more rotationally symmetric foci by means of a lens according to the invention with a combined unit, it is also possible to generate non-rotationally symmetric foci for two or more partial beams by introducing at least one non-rotationally symmetric optical element, for example a cylindrical lens, into the beam path of the lens.
Die zumindest eine Zylinderlinse kann um die optische Achse des Objektivs drehbar ausgebildet sein. Wird die Zylinderlinse gedreht, so werden die Hauptachsen sämtlicher elliptischer Foki mitgedreht. Auf diese Weise können beispielsweise durch Drehen der Zylinderlinse Mikro-Stress erzeugende Pixel mit unterschiedlicher Orientierung in die Probe geschrieben werden.At least one cylindrical lens can be designed to rotate around the optical axis of the objective. When the cylindrical lens is rotated, the principal axes of all elliptical foci rotate along with it. In this way, for example, micro-stress-generating pixels with different orientations can be written into the sample by rotating the cylindrical lens.
Das Objektiv kann eingerichtet sein, die Zylinderlinse wechselbar oder austauschbar aufzunehmen, so dass Wellenfronten mit verschieden starkem Astigmatismus erzeugt werden können. Zum effizienten Korrigieren von Fotomasken, die Platzierungsfehler von Pattern-Elementen aufweisen, ist das Erzeugen von Pixeln, die eine asymmetrische etwa eine astigmatische Form in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung aufweisen, günstig. Dies gilt auch für das Korrigieren von Planaritätsfehlern von Wafern, die im Rahmen komplexer Bearbeitungsprozesse auftreten. The lens can be configured to accommodate interchangeable or replaceable cylindrical lenses, allowing the generation of wavefronts with varying degrees of astigmatism. Generating pixels with an asymmetrical, astigmatic shape in a plane perpendicular to the beam direction is advantageous for efficiently correcting photomasks exhibiting placement errors of pattern elements. This also applies to correcting wafer planarity errors that occur during complex processing.
Astigmatische Wellenfronten des fokussierenden Objektivs erlauben das Generieren asymmetrischer Pixel.Astigmatic wavefronts of the focusing lens allow the generation of asymmetric pixels.
Das Objektiv kann ferner eine sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit umfassen, die entlang einer optischen Achse des Objektivs verschiebbar eingerichtet ist.The lens may also include a unit that compensates for spherical aberrations in the image space and is arranged to be displaceable along an optical axis of the lens.
Die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit ist eingerichtet zum Verschieben entlang der optischen Achse innerhalb des Objektivs. Ferner kann die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit eingerichtet sein zum Formen eines nicht kollimierten Lichtstrahls aus einem in das Objektiv eintretenden kollimierten Lichtstrahl. Insbesondere kann die sphärische Aberrationen in Bildraum kompensierende Einheit einen konvergenten Lichtstrahl formen. Damit unterstützt die sphärische Aberrationen kompensierende Einheit das Fokussieren der zumindest zwei Teilstrahlen im Bildraum.The spherical aberration compensation unit is configured to shift along the optical axis within the lens. Furthermore, the spherical aberration compensation unit can be configured to form an uncollimated light beam from a collimated light beam entering the lens. In particular, the spherical aberration compensation unit can form a convergent light beam. Thus, the spherical aberration compensation unit assists in focusing the at least two partial beams in the image space.
Zudem kann die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit zumindest zu Teilen vor der Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit im Objektiv angeordnet sein.Furthermore, the unit that compensates for spherical aberrations in the image space can be located, at least in part, in front of the beam-splitting and aberration-compensating unit in the lens.
Die Erfinder haben in umfangreichen Untersuchungen herausgefunden, dass ein Objektiv so ausgelegt werden kann, dass die Änderung der sphärischen Aberrationen, die bei einer geänderten Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in eine Probe verursacht wird, durch das Ändern eines einzigen Luftraums zwischen der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit und der kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit oder zwischen der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit und der Fokussiereinheit des Objektivs, d.h. durch Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit im Objektiv im Wesentlichen vollständig kompensiert werden können. Dadurch kann ein erfindungsgemäßes Objektiv Foki mit sehr hoher Qualität für verschiedene Eindringtiefen der Foki in den Bildraum bzw. in eine Probe erzeugen. Foki sehr hoher Qualität sind beugungsbegrenzte Foki, die sich für rotationssymmetrische Wellenfronten durch eine Strehl-Zahl nahe 1 auszeichnen. Allgemeiner weisen die Wellenfronten beugungsbegrenzter Foki eine sehr geringe Abweichung (d.h. einen kleinen RMS-Wert) gegenüber einer Referenz-Wellenfront auf.The inventors have discovered through extensive investigations that a lens can be designed such that the change in spherical aberrations caused by a change in the penetration depth of the foci of at least two partial beams into a sample can be essentially completely compensated by changing a single air space between the unit compensating for spherical aberrations in the image space and the combined beam-splitting and aberration-compensating unit, or between the unit compensating for spherical aberrations in the image space and the focusing unit of the lens—that is, by shifting the unit compensating for spherical aberrations in the image space within the lens. This allows a lens according to the invention to generate foci of very high quality for various penetration depths of the foci into the image space or into a sample. Foci of very high quality are diffraction-limited foci, which, for rotationally symmetric wavefronts, are characterized by a Strehl ratio close to 1. In general, the wavefronts of diffraction-limited foci exhibit a very small deviation (i.e., a small RMS value) from a reference wavefront.
Die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit kann entlang der optischen Achse des Objektivs relativ zur kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit oder der Fokussiereinheit des Objektivs verschiebbar eingerichtet sein.The unit compensating for spherical aberrations in the image space can be arranged to be displaceable along the optical axis of the lens relative to the combined beam-splitting and aberration-compensating unit or the focusing unit of the lens.
Innerhalb eines Objektivs verschiebbare Linsen sind dem Fachmann bekannt, etwa aus der Patentschrift
Die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit kann zumindest eines umfassen: zumindest eine Linse, zumindest einen Spiegel, oder zumindest eine Linse und zumindest einen Spiegel.The unit compensating for spherical aberrations in the image space can include at least one of the following: at least one lens, at least one mirror, or at least one lens and at least one mirror.
Wie oben ausgeführt, können durch einen Satz von auf verschiedene Eindringtiefen in eine Probe abgestimmte kombinierte Einheiten beugungsbegrenzte Foki in verschiedenen einstellbaren Tiefen einer Probe erzeugt werden. Das Verschieben einer spezifisch für den Zweck der sphärischen Aberrationskorrektur im Bildraum eingerichteten sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit in einem erfindungsgemäßen Objektiv eröffnet eine zweite Möglichkeit, beugungsbegrenzte Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in verschiedene Tiefen einer Probe zu platzieren. Wie bereits oben ausgeführt, weisen die Wellenfronten beugungsbegrenzter Foki der zumindest zwei Teilstrahlen eine geringe Abweichung - beispielsweise ausdrückt durch einen kleinen RMS-Wert - gegenüber entsprechenden Referenz-Wellenfronten auf.As explained above, diffraction-limited foci at various adjustable depths within a sample can be generated by a set of combined units tuned to different penetration depths. Moving a unit specifically configured for spherical aberration correction within the image space in a lens according to the invention offers a second possibility for placing diffraction-limited foci of the at least two partial beams at different depths within a sample. As already explained above, the wavefronts of diffraction-limited foci of the at least two partial beams exhibit a small deviation—expressed, for example, by a small RMS value—from corresponding reference wavefronts.
Beim Eindringen einer Wellenfront in eine Probe mit einer Brechzahldifferenz |n1 - n2| > 0, wenn also die Brechzahlen von Probe und Medium zwischen Probe und Objektiv nicht übereinstimmen, erfährt die Wellenfront eine zusätzliche sphärische Aberration in der Probe, die mit wachsender NA des Objektivs stark ansteigt, wobei n1 den Brechungsindex des der Probe vorgelagerten Mediums und n2 den Brechungsindex der Probe bezeichnet. Zum Erzeugen von beugungsbegrenzten Foki - die zum Generieren von definierten Pixeln unabdingbar sind - müssen die sich mit der Eindringtiefe der Foki ändernden sphärischen Aberrationen korrigiert bzw. kompensiert werden. Diese Kompensation kann durch Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit innerhalb eines erfindungsgemäßen Objektivs entlang dessen optischer Achse erfolgen.When a wavefront penetrates a sample with a refractive index difference | n1 - n2 | > 0, i.e., when the refractive indices of the sample and the medium between the sample and the objective lens do not match, the wavefront experiences an additional spherical aberration in the sample. This aberration increases sharply with increasing NA of the objective lens, where n1 denotes the refractive index of the medium in front of the sample and n2 denotes the refractive index of the sample. To generate diffraction-limited foci—which are essential for generating defined pixels—the spherical aberrations, which change with the penetration depth of the foci, must be corrected or compensated. This compensation can be achieved by shifting the unit that compensates for spherical aberrations in the image space within an objective lens according to the invention along its optical axis.
Das Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit kann eine Distanz umfassen von 0,01 mm, bevorzugt 0,1 mm, mehr bevorzugt 1,0 mm, und am meisten bevorzugt 5,0 mm.The displacement of the spherical aberrations compensating unit in the image space can encompass a distance of 0.01 mm, preferably 0.1 mm, more preferably 1.0 mm, and most preferably 5.0 mm.
Die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit kann eingerichtet sein, die Summe der sphärischen Aberrationen der optischen Elemente der Fokussiereinheit und der zumindest zwei Teilstrahlen für eine vorgegebene Eindringtiefe der Foki in den Bildraum zu kompensieren.The unit compensating for spherical aberrations in the image space can be set up to compensate for the sum of the spherical aberrations of the optical elements of the focusing unit and the at least two partial beams for a given penetration depth of the foci into the image space.
Beispielsweise kann die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit sphärisch überkompensierend eingerichtet sein und die Fokussiereinheit sphärisch unterkompensierend. Dadurch kann die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit die sphärischen Aberrationen der Fokussiereinheit und die sphärischen Aberrationen der zumindest zwei Teilstrahlen für eine vorgegebene Eindringtiefe der Foki in den Bildraum bzw. in eine Probe gerade kompensieren.For example, the unit compensating for spherical aberrations in the image space can be configured to overcompensate spherically, while the focusing unit can be configured to undercompensate spherically. This allows the unit compensating for spherical aberrations in the image space to precisely compensate for the spherical aberrations of the focusing unit and the spherical aberrations of at least two partial beams for a given foci penetration depth into the image space or a sample.
Die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit kann eingerichtet sein, eine Änderung der Summe der sphärischen Aberrationen der Fokussiereinheit und eine Änderung der sphärischen Aberrationen, die durch eine Änderung der Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in den Bildraum auftritt, durch Ändern der Position der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit entlang der optischen Achse des Objektivs zu kompensieren.The unit compensating for spherical aberrations in the image space can be configured to compensate for changes in the sum of the spherical aberrations of the focusing unit and changes in the spherical aberrations resulting from changes in the penetration depth of the foci of at least two partial rays into the image space by changing the position of the unit compensating for spherical aberrations in the image space along the optical axis of the lens.
Bei einer größeren Eindringtiefe der zumindest zwei Foki in den Bildraum bzw. die Probe erfahren die Wellenfronten der zumindest zwei Teilstrahlen in der Probe einen größeren Anteil an sphärischer Aberration. Durch ein entsprechendes Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit im Objektiv kann der vergrößerte Aberrationsanteil tieferer Eindringtiefe der Foki in die Probe vorab kompensiert werden.With a greater penetration depth of at least two foci into the image space or the sample, the wavefronts of the at least two partial beams in the sample experience a greater proportion of spherical aberration. By appropriately shifting the unit in the objective lens that compensates for spherical aberrations in the image space, the increased aberration component resulting from deeper penetration depths of the foci into the sample can be compensated for in advance.
Entsprechendes gilt beim Verringern der Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in die Probe. Der geringere Anteil sphärischer Aberrationen der zumindest zwei Teilstrahlen in der Probe kann durch ein entsprechendes Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit in entgegengesetzter Richtung präkompensiert werden.The same applies when reducing the penetration depth of the foci of the at least two partial beams into the sample. The lower proportion of spherical aberrations of the at least two partial beams in the sample can be precompensated by a corresponding shift of the unit compensating for spherical aberrations in the image space in the opposite direction.
Die die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit kann die kombinierte Einheit umfassen. Das Objektivkann eingerichtet sein, die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit und die zumindest eine kombinierte Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit gemeinsam bezüglich der Fokussiereinheit entlang der optischen Achse des Objektivs zu verschieben.The unit compensating for spherical aberrations in image space may comprise the combined unit. The lens may be configured to shift the unit compensating for spherical aberrations in image space and the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit together with respect to the focusing unit along the optical axis of the lens.
Diese Ausführungsform, bei der die kombinierte Einheit und die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit gemeinsam entlang der optischen Achse des Objektivs verschoben werden, ist gegenüber der oben diskutierten Ausführungsform, bei der nur die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit bewegt wird, bevorzugt. Durch das gemeinsame Verschieben von kombinierter Einheit und der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit wird für eine ebene auf das Objektiv auftreffende Wellenfront die optische Verteilung des in das Objektiv eintretenden Lichtstrahls über die kombinierte Einheit hinweg nicht geändert und dadurch die Funktionsweise der kombinierten Einheit nicht tangiert. Somit hängt auch das unerwünschte Streulicht nicht von der Position der sphärische Aberrationen kompensierenden Einheit ab. Dies erleichtert die Auslegung der kombinierten Einheit, welche derart ausgelegt werden kann, dass das unerwünschte Streulicht für alle Tiefenbereiche des Bildraums bzw. einer Probe gleichzeitig minimiert werden kann, in denen Foki erzeugt werden.This embodiment, in which the combined unit and the unit compensating for spherical aberrations in the image space are moved together along the optical axis of the lens, is superior to the embodiment discussed above, in which only the spherical aberrations in the image space are compensated. The movement of the compensating unit is preferred. By moving the combined unit and the unit compensating for spherical aberrations in the image space together, the optical distribution of the light beam entering the lens remains unchanged across the combined unit for a plane wavefront incident on the lens, thus preserving the functionality of the combined unit. Consequently, unwanted stray light is also independent of the position of the spherical aberration-compensating unit. This simplifies the design of the combined unit, which can be configured to simultaneously minimize unwanted stray light for all depth regions of the image space or a sample where foci are generated.
Die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit kann durch Verschieben entlang der optischen Achse eine durch sphärische Aberration verursachte unterschiedliche optische Weglänge (OP, optical path) kleiner 10 µm, bevorzugt kleiner 50 µm, mehr bevorzugt kleiner 200 µm, und am meisten bevorzugt kleiner 1000 µm kompensieren.The unit compensating for spherical aberrations in the image space can compensate for a difference in optical path length (OP) caused by spherical aberration of less than 10 µm, preferably less than 50 µm, more preferably less than 200 µm, and most preferably less than 1000 µm by shifting it along the optical axis.
Falls Foki in verschiedenen Tiefen einer Probe erzeugt werden, weisen die verschiedenen Komponenten der fokussierten Teilstrahlen unterschiedliche optische Weglängen auf. Die optische Weglänge (OP) ist definiert als das Produkt aus der Distanz dP, die ein Strahl parallel zur optischen Achse in einer Probe mit einem Brechungsindex n2 > 1 durchläuft und des Brechungsindexunterschieds Δn = n2 - n1 zwischen der Probe n2 und einer Umgebung, die beispielsweise Luft mit n1 ≈ 1 sein kann. Für eine Fotomaske mit einem Quarz-Substrat (n2 ≈ 1,5) und einer Dicke von 6,35 mm (dP ≈ 6 mm) ergibt sich ungefähr OPM ≈ 6000 µm·0,5 = 3000 µm. Für einen Wafer, mit einer Dicke von 750 µm und einem Brechungsindex n2 ≈ 3,5 ergibt sich entsprechend eine OPW ≈ 700 µm·2,5 = 1750 µm, wobei in beiden Fällen n1 ≈ 1 ist.If foci are generated at different depths within a sample, the various components of the focused partial beams have different optical path lengths. The optical path length (OP) is defined as the product of the distance dP traveled by a beam parallel to the optical axis in a sample with a refractive index n₂ > 1 and the refractive index difference Δn = n₂ - n₁ between the sample n₂ and an environment, which could be, for example, air with n₁ ≈ 1. For a photomask with a quartz substrate ( n₂ ≈ 1.5) and a thickness of 6.35 mm ( dP ≈ 6 mm), the OP is approximately 6000 µm·0.5 = 3000 µm. For a wafer with a thickness of 750 µm and a refractive index n 2 ≈ 3.5, the corresponding OP W ≈ 700 µm·2.5 = 1750 µm results, where in both cases n 1 ≈ 1.
Die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit kann zumindest eine Zerstreuungslinse (konkave Linse) und zumindest eine Sammellinse (konvexe Linse) umfassen, wobei die Brechkraft der Sammellinse größer als die Brechkraft der Zerstreuungslinse ist.The unit compensating for spherical aberrations in the image space can include at least one diverging lens (concave lens) and at least one converging lens (convex lens), where the refractive power of the converging lens is greater than the refractive power of the diverging lens.
Das Einrichten der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit kann zumindest eines umfassen aus: Festlegen der Brechkraft der zumindest einen Linse, Festlegen der Hauptkrümmungen der zumindest einen Linse, Festlegen eines Abstands der zumindest zwei Linsen, Festlegen der Abweichung des die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit verlassenden Lichtstrahls von der Kollimation, und Festlegen einer maximalen Verschiebedistanz der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit entlang der optischen Achse des Objektivs. Die zumindest eine Linse kann einen asphärischen Meniskus umfassen. Im Folgenden wird eine sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit auch als kompensierende Einheit bezeichnet.Setting up the spherical aberration-compensating unit can include at least one of the following: defining the refractive power of the at least one lens, defining the principal curvatures of the at least one lens, defining a distance between the at least two lenses, defining the deviation of the light ray exiting the spherical aberration-compensating unit from collimation, and defining a maximum displacement distance of the spherical aberration-compensating unit along the optical axis of the objective. The at least one lens can include an aspherical meniscus. Hereinafter, a spherical aberration-compensating unit is also referred to as the compensating unit.
Der Brechungsindex n2 einer Probe kann einen Bereich von etwa 1,2 bis 3,5 umfassen Der Brechungsindex ni eines Immersionsmediums sollte dem Brechungsindex der Probe möglichst nahekommen und im Idealfall gleich sein. Für den Idealfall gilt n2 = ni und damit Δn = o. In diesem Fall wird die optische Weglänge von der Eindringtiefe der Foki in die Probe unabhängig. Umgekehrt gilt, je größer die Brechungsindex-Differenz |n2 - ni|, desto größer die zu kompensierende OP, um eine Wellenfrontstörung in den Foki durch die von der Probe hervorgerufenen zusätzlichen sphärischen Aberrationen zu vermeiden. Der Brechungsindex des Immersionsmediums kann z.B. kleiner sein als 2.0, kleiner als 1.5, kleiner als 1.2 oder kleiner als 1.02.The refractive index n₂ of a sample can range from approximately 1.2 to 3.5. The refractive index n ₭ of an immersion medium should be as close as possible to the refractive index of the sample and ideally be the same. In the ideal case, n₂ = n ₭ and therefore Δn = 0. In this case, the optical path length becomes independent of the penetration depth of the foci into the sample. Conversely, the greater the refractive index difference | n₂ - n ₭ |, the greater the optical coefficient (OP) that needs to be compensated to avoid wavefront disturbances in the foci caused by the additional spherical aberrations introduced by the sample. The refractive index of the immersion medium can be, for example, less than 2.0, less than 1.5, less than 1.2, or less than 1.02.
Eine im Bildraum angebrachte Probe kann zumindest eines umfassen: eine Probe mit einem Brechungsindex im Bereich von 1,5 und einer Dicke von zumindest 10 mm oder eine Probe mit einem Brechungsindex größer 3,2 und einer Dicke von zumindest 600 µm.A sample placed in the image space can comprise at least one of the following: a sample with a refractive index in the range of 1.5 and a thickness of at least 10 mm, or a sample with a refractive index greater than 3.2 and a thickness of at least 600 µm.
Zwei wichtige Beispiele der Materialbearbeitung mit kurzen Laser-Pulsen zum Erzeugen von Pixeln sind zum einen gefertigte Fotomasken und zum anderen Wafer während deren Prozessierung. Fotomasken können transmissive oder reflektierende Fotomasken umfassen. Zu bearbeitende Fotomasken können beliebige Arten von Fotomasken umfassen, etwa binäre Masken, Phasen-schiebende Masken und/oder Masken für Mehrfachbelichtung. Wafer können alle Arten von Wafern umfassen, beispielsweise Elementhalbleiter-Wafer, wie etwa Silizium oder Germanium, oder Verbindungshalbleiter-Wafer, wie Galliumarsenid-, Indiumphosphid-, Galliumnitrid-Wafer umfassen, um nur einige wenige Beispiele zu nennen. Die Wafer können eine kristalline oder eine amorphe Struktur aufweisen. Diese Beispiele erschöpfen jedoch nicht den Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Objektivs. Vielmehr kann dieses zumindest in allen im ersten Teil der Beschreibung aufgeführten Anwendungsbereich eingesetzt werden.Two important examples of material processing with short laser pulses for pixel generation are, firstly, manufactured photomasks and, secondly, wafers during their processing. Photomasks can be transmissive or reflective. Photomasks to be processed can be any type of photomask, such as binary masks, phase-shifting masks, and/or masks for multiple exposures. Wafers can be any type, for example, elemental semiconductor wafers, such as silicon or germanium, or compound semiconductor wafers, such as gallium arsenide, indium phosphide, or gallium nitride wafers, to name just a few. The wafers can have a crystalline or an amorphous structure. However, these examples do not exhaust the scope of application of a lens according to the invention. Rather, it can be used in at least all of the application areas listed in the first part of the description.
Der Bildraum kann zumindest eine Probe und eine Probenhalterung umfassen, wobei der Brechungsindex der Probe und der Brechungsindex der Probenhalterung häufig verschieden sind. Der Bildraum kann eine Probe, eine Probenhalterung, ein erstes Medium zwischen Objektiv und ein zweites Medium zwischen der Probenhalterung und der Probe umfassen. Der Bildraum kann eine Probe, eine Probenhalterung und ein erstes Medium umfassen. Ferner kann der Bildraum eine Probe und ein Medium zwischen dem Objektiv und der Probe bzw. ein der Probe vorgelagertes Medium umfassen. Vorzugsweise weist die Probenhalterung einen möglichst großen Brechungsindex auf. Dadurch kann der Strahldurchmesser der Teilstrahlen klein gehalten werden. Dies ermöglicht einen größeren Abstand zwischen Objektiv und der Probenhalterung.The image space can comprise at least one sample and a sample holder, with the refractive index of the sample and the refractive index of the sample holder often being different. The image space can comprise a sample, a sample holder, a first medium between the objective lens, and a second medium between the sample holder and the sample. The image space can comprise a sample, a sample holder, and a first medium. Furthermore, the image space can comprise a sample and a medium between the objective lens and the sample, or a medium positioned in front of the sample. Preferably, the sample holder has the highest possible refractive index. This allows the beam diameter of the partial beams to be kept small, thus enabling a greater distance between the objective lens and the sample holder.
Sowohl eine kombinierte Einheit, etwa in Form eines DOE, als auch die kompensierende Einheit (d.h. die sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierende Einheit) können dafür ausgelegt sein, sowohl die sphärischen Aberrationen der Probenhalterung als auch der Probe selber zu kompensieren bzw. vorab zu kompensieren. Ferner können beide, die kombinierte Einheit und die kompensierende Einheit, dazu ausgelegt werden, die sphärischen Aberrationen verschiedener Dicken einer Probenhalterung und verschiedener Eindringtiefen der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in eine Probe zu kompensieren.Both a combined unit, such as a DOE, and the compensating unit (i.e., the unit that compensates for spherical aberrations in image space) can be designed to compensate for, or pre-compensate, the spherical aberrations of both the sample holder and the sample itself. Furthermore, both the combined unit and the compensating unit can be designed to compensate for the spherical aberrations of varying sample holder thicknesses and varying foci of at least two partial beams into a sample.
Das Objektiv kann eingerichtet sein, durch Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit eine Eindringtiefe der Foki zumindest zwei Teilstrahlen in den Bildraum zu ändern.The lens can be set up to change the penetration depth of the foci of at least two partial rays into the image space by shifting the unit that compensates for spherical aberrations in the image space.
Das Objektiv kann eingerichtet sein, durch Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit eine Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in den Bildraum zu ändern.The lens can be set up to change the penetration depth of the foci of at least two partial rays into the image space by shifting the unit that compensates for spherical aberrations in the image space.
Neben dem Kompensieren sphärischer Aberrationen aufgrund variierender Eindringtiefe ändert das Verschieben der kompensierenden Einheit das Abbildungsverhalten des Objektivs geringfügig, da der die kompensierende Einheit verlassende Lichtstrahl nicht länger kompensiert ist. In addition to compensating for spherical aberrations due to varying penetration depth, moving the compensating unit slightly changes the imaging behavior of the lens, since the light ray leaving the compensating unit is no longer compensated.
Durch das Verschieben der kompensierenden Einheit innerhalb des Objektivs muss der Arbeitsabstand zwischen dem Ausgang des Objektivs und der zu bearbeitenden Probe geringfügig variiert werden, um die Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in eine vorgegebene Tiefe der Probe zu platzieren. Zusammenfassend lässt sich Folgendes sagen: Das gesamte Objektiv wird relativ zum Bildraum bewegt, um die Eindringtiefe der Foki in die Probe zu verändern. Wenn das Objektiv über eine kompensierende Einheit verfügt, dann wird diese gegenüber der Fokussiereinheit verschoben, um die sphärische Aberration zu kompensieren, welche im Bildraum durch das Bewegen des Objektivs entsteht. Durch diese beiden Bewegungen verändert sich jeweils die Eindringtiefe, so dass je nach Eindringtiefe beide Bewegungen koordiniert erfolgen müssen.By shifting the compensating unit within the lens, the working distance between the lens exit and the sample being processed must be slightly varied to position the foci of at least two partial beams at a predetermined depth within the sample. In summary: The entire lens is moved relative to the image space to change the penetration depth of the foci into the sample. If the lens has a compensating unit, this is shifted relative to the focusing unit to compensate for the spherical aberration that arises in the image space due to the lens movement. These two movements each change the penetration depth, so both movements must be coordinated depending on the desired penetration depth.
Die Eindringtiefe der Foki in eine Probe kann auch als die longitudinale Fokusposition bezeichnet werden. Sowohl die Eindringtiefe als auch die longitudinale Fokusposition können auf die Oberfläche der Probe bezogen werden, durch die die zumindest zwei Teilstrahlen in die Probe eindringen. Die longitudinale Fokusposition beschreibt die Fokusposition in Strahlrichtung.The penetration depth of the foci into a sample can also be referred to as the longitudinal focus position. Both the penetration depth and the longitudinal focus position can be related to the surface of the sample through which the at least two partial beams penetrate the sample. The longitudinal focus position describes the focus position in the beam direction.
Das Objektiv kann ferner zumindest eine Linse aufweisen, die zwischen der zumindest einen kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit und der Fokussiereinheit angeordnet ist, und eingerichtet ist, für zumindest eines aus: Verschieben der zumindest einen Linse entlang der optischen Achse gemeinsam mit der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit und der zumindest einen kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit, oder Verschieben der zumindest einen Linse entlang der optischen Achse unabhängig von der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit, der Fokussiereinheit und der zumindest einen kombinierten Strahlaufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit.The objective lens can further comprise at least one lens arranged between the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit and the focusing unit, and is configured for at least one of the following: moving the at least one lens along the optical axis together with the spherical aberrations-in-image-space compensating unit and the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit, or moving the at least one lens along the optical axis independently of the spherical aberrations-in-image-space compensating unit, the focusing unit and the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit.
Durch die zumindest eine dritte Linse kann die Fokussiereinheit des Objektivs vereinfacht werden. Ferner kann in einer Ausführungsform, bei der die zumindest eine Linse unabhängig vom Verschieben der kompensierenden Einheit verschiebbar ist, das Bewegen der zumindest einen Linse zum Verschieben der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in verschiedene Tiefen einer Probe eingesetzt werden. Durch entsprechendes Verschieben der kompensierenden Einheit können die durch das Bewegen der zumindest einen Linse hervorgerufenen Änderungen der sphärischen Aberrationen in der Probe bzw. innerhalb des Bildraums kompensiert werden.The focusing unit of the objective can be simplified by the inclusion of at least one third lens. Furthermore, in an embodiment where the at least one lens is movable independently of the movement of the compensating unit, moving the at least one lens can be used to shift the foci of the at least two partial beams to different depths within a sample. By appropriately moving the compensating unit, the changes in spherical aberrations in the sample or within the image space caused by moving the at least one lens can be compensated.
Die zumindest eine Linse kann eine Sammellinse umfassen.At least one lens can be a converging lens.
In einer Ausführungsform, in der die zumindest eine Linse, die kompensierende Einheit und die kombinierte Einheit gemeinsam bewegt werden, kann zum einen die kompensierende Wirkung bezüglich sphärischer Aberrationen infolge des Verschiebens dieser optischen Elemente entlang der optischen Achse des Objektivs an die Eindringtiefe bzw. die longitudinale Fokusposition angepasst werden. Zum anderen verstärkt das gemeinsame Verschieben der kompensierenden Einheit, der zumindest einen Linse und der kombinierten Einheit die fokussierende Wirkung des Objektivs. Dies ermöglicht eine geringere Änderung des Arbeitsabstands zwischen dem Ausgang des Objektivs und der Probe zum Durchstimmen der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen durch eine Probe.In an embodiment where the at least one lens, the compensating unit, and the combined unit are moved together, the compensating effect with respect to spherical aberrations resulting from the displacement of these optical elements along the optical axis of the objective can be adjusted to the penetration depth or the longitudinal focus position. Furthermore, the joint displacement of the compensating unit, the at least one lens, and the combined unit enhances the focusing effect of the objective. This allows for a smaller change in the working distance between the objective's output and the sample for tuning the foci of the at least two partial beams through the sample.
In einer Ausführungsform, in der die zumindest eine Linse unabhängig von der kompensierenden Einheit bewegbar entlang der optischen Achse ausgebildet ist, kann die zumindest eine Linse so ausgelegt werden, dass zum Verschieben der Foki innerhalb der Probe, der Arbeitsabstand zwischen Probe und Objektiv nicht geändert werden muss. Dies bedeutet, das Objektiv mit zumindest einer Linse weist eine Innenfokussierung auf. Die Masse, die zum Ändern der Eindringtiefe der Foki und zur Kompensation der dadurch verursachten sphärischen Aberrationen bewegt werden muss, kann dadurch minimiert werden.In an embodiment where the at least one lens is movable along the optical axis independently of the compensating unit, the at least one lens can be designed such that the working distance between the sample and the objective does not need to be changed to shift the foci within the sample. This means that the objective with at least one lens has internal focusing. The mass that needs to be moved to change the penetration depth of the foci and to compensate for the resulting spherical aberrations can thus be minimized.
Eine zweite Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Bearbeiten einer Probe mit zumindest zwei Lichtstrahlen in einer einstellbaren Tiefe der Probe, wobei die Vorrichtung zumindest ein Objektiv nach einem der oben ausgeführten Aspekte zum Erzeugen von zumindest zwei Teilstrahlen aus einem Lichtstrahl, und zum Fokussieren der zumindest zwei Teilstrahlen umfasst.A second embodiment relates to a device for simultaneously processing a sample with at least two light beams at an adjustable depth of the sample, wherein the device comprises at least one lens according to one of the aspects described above for generating at least two partial beams from one light beam and for focusing the at least two partial beams.
Die Vorrichtung kann ferner Mittel umfassen zum Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit im Objektiv zum Kompensieren von sphärischen Abbildungsfehlern im Bildraum als Folge des Änderns der Eindringtiefe der Foki in den Bildraum.The device may further include means for shifting the spherical aberrations compensating unit in the lens to compensate for spherical aberrations in the image space as a result of changing the penetration depth of the foci into the image space.
Die Vorrichtung kann ferner eine Einheit umfassen, die dafür eingerichtet ist, die Probe zu analysieren. Die Analyseeinheit kann einen Partikelstrahl zum Bestrahlen der Probe und eine Detektionseinheit zum Detektieren von von der Probe ausgehenden Partikeln während des Bestrahlens der Probe umfassen. Die Partikel des Partikelstrahls können geladene Partikel, wie etwa Elektronen und/oder Ionen und ungeladene Partikel, beispielsweise Photonen und/oder Atome bzw. Moleküle umfassen.The device may further include a unit configured to analyze the sample. The analysis unit may comprise a particle beam for irradiating the sample and a detection unit for detecting particles emanating from the sample during irradiation. The particles of the particle beam may include charged particles, such as electrons and/or ions, and uncharged particles, such as photons and/or atoms or molecules.
Eine weitere Ausführungsform betrifft ein Verfahren zum Fokussieren von zumindest zwei Teilstrahlen in zumindest eine vorgegebene Tiefe eines Bildraums, wobei das Verfahren aufweist: Einstellen eines Arbeitsabstands eines Objektivs nach einem der vorhergehenden Aspekte in Bezug auf den Bildraum zum Kompensieren von Abbildungsfehlern und zum Fokussieren der zumindest zwei Teilstrahlen in die zumindest eine vorgegebene Tiefe des Bildraums.Another embodiment relates to a method for focusing at least two partial beams into at least one predetermined depth of an image space, wherein the method comprises: adjusting a working distance of a lens according to one of the preceding aspects with respect to the image space to compensate for aberrations and to focus the at least two partial beams into the at least one predetermined depth of the image space.
Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Verschieben der zumindest zwei Foki der zumindest zwei Teilstrahlen im Bildraum. Dies kann durch Ändern des Arbeitsabstands des Objektivs zu einer Probe, durch Verschieben einer kompensierenden Einheit im Objektiv, durch eine Innenfokussierung des Objektivs oder eine Kombination hiervon ausgeführt werden.The method can further include the step of shifting the at least two foci of the at least two partial beams in the image space. This can be achieved by changing the working distance of the objective to a sample, by shifting a compensating unit in the objective, by internal focusing of the objective, or a combination thereof.
Ferner kann das Verfahren den Schritt umfassen: Verschieben der kompensierenden Einheit im Objektiv, oder Wechsel der kombinierten Einheit zum Kompensieren der durch die geänderte Fokuslage im Bildraum hervorgerufenen Änderungen der sphärischen Aberrationen des Bildraums.Furthermore, the procedure can include the step of: moving the compensating unit in the lens, or changing the combined unit to compensate for the changes in the spherical aberrations of the image space caused by the changed focus position in the image space.
Ein Ändern einer Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen kann zumindest eines umfassen: Ändern eines Arbeitsabstands zwischen dem Objektiv und dem Bildraum und Wechseln der zumindest einen kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit, Ändern des Arbeitsabstands zwischen dem Objektiv und dem Bildraum und Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit entlang der optischen Achse des Objektivs, oder Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit um eine erste Distanz und Verschieben zumindest einer Linse um eine zweite Distanz.Changing the penetration depth of the foci of the at least two partial beams can include at least one of the following: changing the working distance between the lens and the image space and changing the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit; changing the working distance between the lens and the image space and moving the spherical aberration-compensating unit along the optical axis of the lens; or moving the spherical aberration-compensating unit by a first distance and moving at least one lens by a second distance.
Die erste Distanz und die zweite Distanz können verschiedene Zahlenwerte aufweisen zum Ändern der Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in den Bildraum und zum Kompensieren einer dadurch auftretenden Änderungen der sphärischen Aberrationen im Bildraum bzw. in einer Probe.The first distance and the second distance can have different numerical values to change the penetration depth of the foci of at least two partial beams into the image space and to compensate for any resulting changes in spherical aberrations in the image space or in a sample.
Das Ändern der Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in eine Probe kann in wenigstens vier verschiedenen Ausführungsformen ausgeführt werden: (I) Der Arbeitsabstand des Objektivs kann entsprechend verändert werden und die dadurch hervorgerufenen Änderungen der sphärischen Aberrationen in der Probe können durch Entfernen einer ersten kombinierten Einheit aus dem Strahlengang und durch Einbringen einer zweiten, auf die geänderte Eindringtiefe ausgelegten zweiten kombinierten Einheit in das Objektiv, vorzugsweise in die Pupillenebene des Objekts, kompensiert bzw. präkompensiert werden. (II) Der Arbeitsabstand des Objekts kann auf die neue, geänderte Eindringtiefe abgestimmt werden und die dadurch hervorgerufenen Änderungen der sphärischen Aberrationen der Probe können durch Verschieben einer kompensierenden Einheit entlang der optischen Achse des Objektivs präkompensiert werden. (III) Eine geänderte Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen kann durch ein kombiniertes Ändern des Arbeitsabstands des Objekts und zumindest einer verschiebbaren Linse des Objektivs eingestellt werden und die dadurch hervorgerufene Änderung der sphärischen Aberrationen im Bildraum können durch Verschieben der kompensierenden Einheit entlang der optischen Achse des Objektivs präkompensiert werden. (IV) Schließlich kann eine geänderte Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen in die Probe alleine durch Verschieben der zumindest einen Linse innerhalb des Objektivs eingestellt werden und die dadurch hervorgerufenen Änderungen der sphärischen Aberrationen im Bildraum bzw. in der Probe können durch Verschieben der kompensierenden Einheit entlang der optischen Achse des Objektivs präkompensiert werden.Changing the penetration depth of the foci of the at least two partial beams into a sample can be carried out in at least four different embodiments: (I) The working distance of the objective can (1) The working distance of the object can be adjusted accordingly, and the resulting changes in spherical aberrations in the sample can be compensated or precompensated by removing a first combined unit from the beam path and by inserting a second combined unit, designed for the changed penetration depth, into the objective, preferably in the pupil plane of the object. (2) The working distance of the object can be adjusted to the new, changed penetration depth, and the resulting changes in the spherical aberrations of the sample can be precompensated by moving a compensating unit along the optical axis of the objective. (3) A changed penetration depth of the foci of the at least two partial beams can be set by a combined change in the working distance of the object and at least one movable lens of the objective, and the resulting change in the spherical aberrations in the image space can be precompensated by moving the compensating unit along the optical axis of the objective. (IV) Finally, a changed penetration depth of the foci of the at least two partial beams into the sample can be adjusted solely by moving the at least one lens within the objective, and the resulting changes in spherical aberrations in the image space or in the sample can be precompensated by moving the compensating unit along the optical axis of the objective.
Das Ändern des Arbeitsabstands und das Verschieben der kompensierenden Einheit können gleichzeitig erfolgen oder das Ändern des Arbeitsabstands und das Verschieben der kompensierenden Einheit können in einem iterativen Prozess erfolgen. Dabei wird in einem ersten Schritt der Arbeitsabstand auf eine vorgegebene neue Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen eingestellt. Dann werden in einem zweiten Schritt die geänderten sphärischen Aberrationen durch Verschieden der kompensierenden Einheit und/oder der zumindest einen Linse präkompensiert. Das Verschieben der kompensierenden Einheit oder das gemeinsame Verschieben der kompensierenden Einheit und der zumindest einen Linse ändert die Eindringtiefe der Foki in die Probe zumindest geringfügig. In einem zweiten Einstellschritt kann sodann die veränderte longitudinale Fokusposition auf die vorgegebene Eindringtiefe angepasst werden und die dadurch verursachten sphärischen Aberrationsänderungen können, wie im ersten Einstellschritt beschrieben, präkompensiert werden. Der Einstellprozess endet, wenn sowohl die Eindringtiefe der Foki innerhalb eines vorgegebenen Tiefenbereichs liegen als auch die noch vorhandenen sphärischen Aberrationen unterhalb einer vorgegebenen Schwelle sind.Changing the working distance and moving the compensating unit can be done simultaneously, or they can be performed iteratively. In the first step, the working distance is adjusted to a predetermined new penetration depth of the foci of the at least two partial beams. Then, in the second step, the altered spherical aberrations are precompensated by moving the compensating unit and/or the at least one lens. Moving the compensating unit, or moving it and the at least one lens together, changes the penetration depth of the foci into the sample, at least slightly. In a second adjustment step, the changed longitudinal focus position can then be adjusted to the predetermined penetration depth, and the resulting changes in spherical aberrations can be precompensated as described in the first adjustment step. The adjustment process ends when both the penetration depth of the foci are within a predefined depth range and the remaining spherical aberrations are below a predefined threshold.
Das Verschieben der kompensierenden Einheit und das Verschieben der zumindest einen Linse können gleichzeitig erfolgen oder das Verschieben der kompensierenden Einheit und das Verschieben der zumindest einen Linse können in einem iterativen Prozess erfolgen.The movement of the compensating unit and the movement of the at least one lens can be performed simultaneously, or the movement of the compensating unit and the movement of the at least one lens can be performed in an iterative process.
Ferner kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zumindest einen der Schritte aufweisen: Ändern der zumindest einen kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit zum Ändern der Anzahl erzeugter Teilstrahlen, Ändern der zumindest einen kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit zum Ändern der Eindringtiefe der Foki der zumindest zwei Teilstrahlen, oder Ändern der zumindest einen kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit zum Ändern der Belichtungswellenlänge des Bildraums.Furthermore, a method according to the invention can comprise at least one of the following steps: changing the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit to change the number of generated partial beams, changing the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit to change the penetration depth of the foci of the at least two partial beams, or changing the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit to change the exposure wavelength of the image space.
Das Ändern der zumindest einen kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit kann das Entfernen einer ersten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit aus dem Objektiv und das Einbringen einer zweiten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit in das Objektiv, insbesondere in dessen Pupillenebene, umfassen.Changing the at least one combined beam-splitting and aberration-compensating unit may involve removing a first beam-splitting and aberration-compensating unit from the lens and inserting a second beam-splitting and aberration-compensating unit into the lens, particularly in its pupil plane.
In einem weiteren Ausführungsform kann ein Computerprogramm Anweisungen umfassen, die ein Computersystem veranlassen, die Verfahrensschritte nach einem der oben ausgeführten Aspekte auszuführen.In another embodiment, a computer program may include instructions that cause a computer system to execute the process steps according to one of the aspects described above.
Das Computersystem kann Teil einer Vorrichtung sein, die ein erfindungsgemäßes Objektiv zum Aufspalten eines Laser-Strahls in zwei oder mehr Teilstrahlen, zum Kompensieren von Abbildungsfehlern und zum Fokussieren der zwei oder mehr Teilstrahlen in verschiedene Tiefen einer Probe verwendet.The computer system can be part of a device that uses a lens according to the invention for splitting a laser beam into two or more partial beams, for compensating for imaging errors and for focusing the two or more partial beams at different depths of a sample.
Die Herstellung eines optischen Elements, einer fotolithographischen Maske, eines Wafers, eines Templates für die Nanoprägelithographie, eines mikro-elektromechanischen Bauelements, und/oder eines nano-elektromechanischen Bauelements kann einen Bearbeitungsprozess und/oder einen Reparaturprozess nach einem der oben beschriebenen Aspekte umfassen. The fabrication of an optical element, a photolithographic mask, a wafer, a template for nanoimprint lithography, a micro-electromechanical component, and/or a nano-electromechanical component may include a machining process and/or a repair process according to any of the aspects described above.
Ferner kann ein optisches Element, eine fotolithographische Maske, ein Wafer, ein Template für die Nanoprägelithographie, ein mikro-elektromechanisches Bauelement, und/oder ein nanomechanisches Bauelement einen Bearbeitungsprozess und/oder einen Reparaturprozess nach einem der oben beschriebenen Aspekte umfassen.Furthermore, an optical element, a photolithographic mask, a wafer, a template for nanoimprint lithography, a micro-electromechanical component, and/or a nanomechanical component may include a machining process and/or a repair process according to any of the aspects described above.
4. Beschreibung der Zeichnungen4. Description of the drawings
In der folgenden detaillierten Beschreibung werden derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 ein Objektiv eines Laser-Fokus-Generators gemäß dem Stand der Technik wiedergibt; -
2A ein Schnittbild durch den optischen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei Teilstrahlen zeigt; -
2B in Tabelle 1 die Designdaten des Ausführungsbeispiels der2A auflistet; -
3A in den Teilbildern (a) bis (f) jeweils den Strahlengang eines von sechs Teilstrahlen wiedergibt, den ein diffraktives optisches Element (DOE) des Objektivs der2A erzeugt, und die Fokussiereinheit dieses Objektivs in den Bildraum der2A fokussiert; -
3B eindimensionale (1D) Aberrationskurven in zwei zueinander senkrechten Richtungen für die sechs Laser-Foki der3A wiedergibt; -
4 in Tabelle 2 die Zernike-Fringe-Indices (ZFR) j und die zugehörigen Zernike-Fringe-Polynome Pj(R, A) für j = 1 bis 36 zusammenfasst; -
5A ein erstes Ausführungsbeispiel einer zweidimensionalen (2D) Phasenverteilung eines diffraktiven optischen Elements (DOE) in Form eines Computer-generierten Hologramms (CGH) präsentiert; -
5B einen vergrößerten 1D Schnitt der 2D Phasenverteilung des DOE der5A entlang der x-Achse angibt; -
5C einen vergrößerten 1D Schnitt der 2D Phasenverteilung des DOE der5A entlang der y-Achse wiedergibt; -
6 die 2D Phasenverteilung ΔW1(xCGH, yCGH) des DOE der3A zum Erzeugen des Laser-Fokus für den ersten Teilstrahl der3A(a) auf der optischen Achse präsentiert; -
7A die 2D Phasenverteilung ΔW6(xCGH, yCGH) des DOE der3A zum Erzeugen des Laser-Fokus für den sechsten, maximal ausgelenkten Teilstrahl der3A(f) darstellt; -
7B die 2D Phasenverteilung des DOE der3A(f) zeigt, d.h. von der 2D Phasenverteilung der7A wurden die 2D Phasenverteilung der6 und eine Kippung beschreibende Zernike-Funktion subtrahiert; -
8 die Zernike-Koeffizienten für Kippung, und für Defokussierung, für die sechs Teilstrahlen der3A (d.h. i = 1 bis 6) als Funktion der Entfernung des jeweiligen Fokus von der optischen Achse darstellt; -
9A einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei Teilstrahlen zeigt; -
9B in Tabelle 3 die Designdaten des Ausführungsbeispiels der9A zusammenfasst; -
10A die 2D Phasenverteilung des CGH des DOE der9A wiedergibt; -
10B einen vergrößerten 1D Schnitt der 2D Phasenverteilung des CGH des DOE der9A entlang der x-Achse angibt; -
10C einen vergrößerten 1D Schnitt der 2D Phasenverteilung des CGH des DOE der9A entlang der y-Achse wiedergibt; -
11A einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei Teilstrahlen zeigt; -
11B in Tabelle 4 die Designdaten des Ausführungsbeispiels der11A zusammenfasst; -
12A die 2D Phasenverteilung des CGH des DOE der11A präsentiert; -
12B einen vergrößerten 1D Schnitt der 2D Phasenverteilung des CGH des DOE der11A entlang der x-Achse angibt; -
12C einen vergrößerten 1D Schnitt der 2D Phasenverteilung des CGH des DOE der11A entlang der y-Achse wiedergibt; -
13A einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei Teilstrahlen zeigt; -
13B in Tabelle 5 die Designdaten des Ausführungsbeispiels der13A zusammenstellt; -
14 einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines fünften Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei Teilstrahlen darstellt, wobei eine Referenz-Wellenfront in einer Probe einen Astigmatismus aufweist; -
15 einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines sechsten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei von sieben Teilstrahlen zeigt, wobei das Objektiv ein erstes Ausführungsbeispiel einer sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit aufweist; -
16A im oberen Teilbild eine erste Fokuslage eines der Teilstrahlen des Objektivs der15 in einem Silizium-Wafer als Probe darstellt und das untere Teilbild sphärische Aberrationen der Foki des Objektivs der15 in der ersten Fokuslage wiedergibt; -
16B im oberen Teilbild eine zweite, geänderte Fokuslage eines der Teilstrahlen des Objektivs der15 in einem Silizium-Wafer illustriert und das untere Teilbild Aberrationskurven der sieben Foki des Objektivs der15 in der zweiten Fokuslage zeigt; -
16C im oberen Teilbild das obere Teilbild der16B reproduziert und im unteren Teilbild die Aberrationskurven der sieben Foki des Objektivs der15 in der zweiten Fokuslage nach deren Kompensation durch Verschieben der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit in dem Objektiv der15 präsentiert; -
17 einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines siebten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei von sieben Teilstrahlen wiedergibt, wobei das Objektiv ein zweites Ausführungsbeispiel einer sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit mit entsprechend angepasster kombinierter Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit aufweist; -
18 einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines achten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei von sieben Teilstrahlen zeigt, dessen Linsen aus einem Material mit größerem Brechungsindex gefertigt werden (verglichen mit dem Objektiv des sechsten Ausführungsbeispiels), und ein drittes Ausführungsbeispiel einer sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit aufweist; -
19 einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines neunten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei von sieben Teilstrahlen zeigt, das für eine Belichtungswellenlänge von 1550 nm ausgelegt ist, wobei dessen Linsen aus Silizium hergestellt sind, und das ein viertes Ausführungsbeispiel einer sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit mit entsprechend angepasster kombinierter Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit beinhaltet; -
20 einen schematischen Schnitt durch den optischen Aufbau eines zehnten Ausführungsbeispiels eines Objektivs mit nachfolgendem Bildraum samt Strahlengang für zwei von sieben Teilstrahlen zeigt, wobei das Objektiv eine NA von 0,8 aufweist (verglichen mit 0,6 im sechsten Ausführungsbeispiel) und ein fünftes Ausführungsbeispiel einer sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit aufweist; -
21 die Tabelle 6 beinhaltet, die die in den sechsten bis zehnten Ausführungsbeispielen ausgeführten Bewegungen der Objektive sowie der sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheiten innerhalb der Objektive zum Verschieben der Fokuslage der Teilstrahlen innerhalb eines Silizium-Wafers als Probe um 500 µm zusammenstellt; und -
22 ein Flussdiagramm zum Fokussieren von zwei oder mehr Teilstrahlen eines auf ein hierin beschriebenes Objektiv auftreffenden Strahls in zumindest eine vorgegebene Tiefe des Bildraums wiedergibt.
-
1 reproduces a lens of a laser focus generator according to the state of the art; -
2A a cross-sectional view through the optical structure of a first embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two partial beams; -
2B Table 1 lists the design data of the exemplary embodiment of the2A lists; -
3A In the partial images (a) to (f) each shows the beam path of one of six partial beams, which a diffractive optical element (DOE) of the objective of the2A generated, and the focusing unit of this lens into the image space of the2A focused; -
3B One-dimensional (1D) aberration curves in two mutually perpendicular directions for the six laser foci of the3A reproduces; -
4 Table 2 summarizes the Zernike Fringe indices (ZFR) j and the associated Zernike Fringe polynomials P j (R, A) for j = 1 to 36; -
5A a first embodiment of a two-dimensional (2D) phase distribution of a diffractive optical element (DOE) in the form of a computer-generated hologram (CGH) is presented; -
5B an enlarged 1D section of the 2D phase distribution of the DOE of the5A along the x-axis; -
5C an enlarged 1D section of the 2D phase distribution of the DOE of the5A represented along the y-axis; -
6 the 2D phase distribution ΔW 1 (x CGH , y CGH ) of the DOE of the3A to generate the laser focus for the first partial beam of the3A(a) presented on the optical axis; -
7A the 2D phase distribution ΔW 6 (x CGH , y CGH ) of the DOE of the3A to generate the laser focus for the sixth, maximally deflected partial beam of the3A(f) represents; -
7B the 2D phase distribution of the DOE3A(f) shows, i.e., from the 2D phase distribution of the7A The 2D phase distribution of the6 and a Zernike function describing a tilt subtracted; -
8 the Zernike coefficients for tilting, and for defocusing, for the six partial beams of the3A (i.e., i = 1 to 6) represents as a function of the distance of the respective focus from the optical axis; -
9A a schematic section through the optical structure of a second embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two partial beams; -
9B Table 3 contains the design data of the exemplary embodiment of the9A summarizes; -
10A the 2D phase distribution of CGH of the DOE9A reproduces; -
10B an enlarged 1D section of the 2D phase distribution of the CGH of the DOE9A along the x-axis; -
10C an enlarged 1D section of the 2D phase distribution of the CGH of the DOE9A represented along the y-axis; -
11A a schematic section through the optical structure of a third embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two partial beams; -
11B Table 4 contains the design data of the exemplary embodiment of the11A summarizes; -
12A the 2D phase distribution of CGH of the DOE11A presents; -
12B an enlarged 1D section of the 2D phase distribution of the CGH of the DOE11A along the x-axis; -
12C an enlarged 1D section of the 2D phase distribution of the CGH of the DOE11A represented along the y-axis; -
13A a schematic section through the optical structure of a fourth embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two partial beams; -
13B Table 5 contains the design data of the exemplary embodiment of the13A compiles; -
14 a schematic section through the optical structure of a fifth embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two partial beams, wherein a reference wavefront in a sample exhibits astigmatism; -
15 a schematic section through the optical structure of a sixth embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two of seven partial beams, wherein the lens has a first embodiment of a unit compensating for spherical aberrations in the image space; -
16A The upper part of the image shows the first focus position of one of the partial rays of the lens.15 represented as a sample in a silicon wafer, and the lower part of the image shows spherical aberrations of the lens's foci.15 reproduced in the first focus position; -
16B In the upper part of the image, a second, changed focus position of one of the partial rays of the lens is visible.15 illustrated in a silicon wafer, and the lower sub-image shows aberration curves of the seven foci of the lens.15 in the second focus position; -
16C in the upper part of the image, the upper part of the image16B reproduced and in the lower part of the image the aberration curves of the seven foci of the lens of the15 in the second focus position after their compensation by shifting the spherical aberrations in the image space compensating unit in the lens of the15 presents; -
17 a schematic section through the optical structure of a seventh embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two of seven partial beams, wherein the lens has a second embodiment of a spherical aberrations in the image space compensating unit with a correspondingly adapted combined beam splitting and aberration compensating unit; -
18 Figure 1 shows a schematic section through the optical structure of an eighth embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two of seven partial beams, whose lenses are made of a material with a larger refractive index (compared to the lens of the sixth embodiment), and a third embodiment of a unit compensating for spherical aberrations in the image space; -
19 a schematic section through the optical structure of a ninth embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two of seven partial beams, designed for an exposure wavelength of 1550 nm, its lenses being made of silicon, and which includes a fourth embodiment of a spherical aberrations in the image space compensating unit with appropriately adapted combined beam splitting and aberration compensating unit; -
20 Figure 1 shows a schematic section through the optical structure of a tenth embodiment of a lens with subsequent image space including beam path for two of seven partial beams, wherein the lens has an NA of 0.8 (compared with 0.6 in the sixth embodiment) and a fifth embodiment of a unit compensating for spherical aberrations in the image space; -
21 Table 6 contains the movements of the lenses and the units within the lenses that compensate for spherical aberrations in the image space, as carried out in the sixth to tenth embodiments, for shifting the focus position of the partial beams within a silicon wafer as a sample by 500 µm; and -
22 a flowchart for focusing two or more partial rays of a ray incident on a lens described herein into at least a predetermined depth of the image space.
5. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele5. Detailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden derzeit bevorzugte Ausführungsformen erfindungsgemäßer Objektive und Verfahren erläutert. Erfindungsgemäße Objektive werden detailliert am Beispiel des Erzeugens von Foki für zwei oder mehr Teilstrahlen in einem Bildraum eines auf das Objektiv auftreffenden Laser-Strahls diskutiert. Ein erfindungsgemäßes Objektiv ist in den angegebenen Beispielen Teil eines Laser-Fokus-Generators. Die hierin erläuterten Objektive sind jedoch nicht auf die Anwendung als Teils eines Laser-Fokus-Generators beschränkt. Vielmehr können diese dafür eingesetzt werden, den Lichtstrahl einer beliebigen schmalbandigen Lichtquelle in zwei oder mehr Teilstrahlen aufzuspalten und in eine vorgegebene Tiefe einer Probe zu fokussieren.Preferred embodiments of the lenses and methods according to the invention are described below. Lenses according to the invention are discussed in detail using the example of generating foci for two or more partial beams in an image space of a laser beam incident on the lens. In the examples given, a lens according to the invention is part of a laser focus generator. However, the lenses described herein are not limited to use as part of a laser focus generator. Rather, they can be used to split the light beam of any narrowband light source into two or more partial beams and to focus them at a predetermined depth in a sample.
Ferner wird im Folgenden die Funktionsweise erfindungsgemäßer Objektive am Beispiel des Erzeugens von Pixeln in verschiedenen Tiefen eines Wafers oder einer Fotomaske erläutert. Der Einsatz erfindungsgemäßer Objektive ist jedoch nicht auf diese Einsatzzwecke limitiert. Vielmehr können erfindungsgemäße Objektive in allen Feldern der Materialbearbeitung eingesetzt werden, in denen zwei oder mehr Teilstrahlen benötigt werden bzw. vorteilhaft sind, und deren Foki in einstellbaren Tiefen einer Probe platziert werden sollen. Zudem sind die Materialien, die durch den Einsatz eines hierin beschriebenen Objektivs bearbeitet werden können, nicht auf Fotomasken und Wafer beschränkt. Alle Materialien deren Bandabstand zwischen Valenzband und Leitungsband größer ist als die Energie der Photonen des zur Bearbeitung eingesetzten Laser-Strahls ist, können mit Hilfe kurzer intensiver Laser-Pulse bearbeitet werden. Überdies kann ein erfindungsgemäßes Objektiv für alle im ersten Teil dieser Beschreibung aufgeführten Anwendungen eingesetzt werden; insbesondere kann die Probe auch einen flüssigen Aggregatzustand aufweisen und beispielsweise aus Photo-Polymeren zum 3D-Druck bestehen.Furthermore, the functionality of lenses according to the invention is explained below using the example of generating pixels at different depths of a wafer or photomask. However, the use of lenses according to the invention is not limited to these applications. Rather, lenses according to the invention can be used in all fields of material processing where two or more partial beams are required or advantageous, and whose foci are to be placed at adjustable depths of a sample. Moreover, the materials that can be processed using a lens described herein are not limited to photomasks and wafers. All materials whose band gap between the valence band and the conduction band is greater than the energy of the photons of the laser beam used for processing can be processed using short, intense laser pulses. In addition, a lens according to the invention can be used for all applications listed in the first part of this description; in particular, the sample can also be in a liquid state and, for example, consist of photopolymers for 3D printing.
Nachfolgend wird die Funktionsweise einer Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit am Beispiel eines diffraktiven optischen Elements (DOE) erläutert. Dies stellt jedoch keine Einschränkung der Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler kompensierenden Einheit auf DOEs dar.The following explains the function of a beam-splitting and aberration-compensating unit using the example of a diffractive optical element (DOE). However, this does not limit the use of beam-splitting and aberration-compensating units to DOEs.
Die
Das Diagramm 202 der
Die Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler kompensierende Einheit 220 ist in der Pupille 230 des Objektivs 200 angeordnet, so dass das Objektiv 200 telezentrisch ist. Das Objektiv 200 und die Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler kompensierende Einheit 220 können ausgestaltet sein, so dass die Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit 220 von außen in das Objektiv 200 eingesetzt und wieder aus diesem entfernt werden kann (in der
Im beispielhaften Objektiv 200 der
Die Pupille 230 stellt eine Blende oder Apertur für den in das Objektiv 200 eintretenden parallelen Lichtstrahl 240 dar. Der Durchmesser 235 der Pupille 230 ist so ausgelegt, dass der eintretende Lichtstrahl 240 mit seinem vollen Durchmesser 245 im Wesentlichen unbehindert die Pupille 230 passieren kann. Im beispielhaften Objektiv 200 der
Im Beispiel der
Die Fokussiereinheit 210 des Objektivs 200 erzeugt im Bildraum 270 Foki 290, 295, die in einer Ebene liegen, die senkrecht zur optischen Achse 250 des Objektivs 200 orientiert ist. Im Beispiel der
Eine Probe 280 ist nicht auf einen Silizium-Wafer 280 beschränkt. Das Objektiv 200 kann vielmehr zwei oder mehr Teilstrahlen in alle Arten von Wafer fokussieren, etwa Wafer aus Elementhalbleitern oder Verbindungshalbleiter, d.h. binär, ternäre oder quaternäre Verbindungshalbleiter. Ferner kann eine Probe 280 eine beliebige Fotomaskenart umfassen oder einen Stempel für die Nanopräge-Lithographie. Bei Proben 280 in Form von Fotomasken durchstrahlen die Teilstrahlen 260 und 265 typischerweise eine entsprechende Fotomasken-Halterung nicht. Generell kann das Objektiv 200 zur Materialbearbeitung mittels fokussierter Laser-Strahlung in allem oben angesprochenen Bereichen dieser Beschreibung eingesetzt werden.A sample 280 is not limited to a silicon wafer 280. Rather, the objective 200 can focus two or more partial beams into all types of wafers, such as wafers made of elemental semiconductors or compound semiconductors, i.e., binary, ternary, or quaternary compound semiconductors. Furthermore, a sample 280 can include any type of photomask or a stamp for nanoimprint lithography. In the case of samples 280 in the form of photomasks, the partial beams 260 and 265 typically do not pass through a corresponding photomask holder. In general, the objective 200 can be used for material processing using focused laser radiation in all the areas mentioned above in this description.
Die optischen Daten für das Objektiv 200 der
Im Diagramm 300 der
Da dieses Ausführungsbeispiel für alle Lichtbündel sphärische Wellenfronten in der Probe aufweist, sind Aberrationskurven, welche die Queraberrationen darstellen, geeignet, um die Fokusqualität zu visualisieren. Das Diagramm 350 der
Die sechs Teilstrahlen 310, 320, 330, 340, 350 und 360 können hinter dem DOE 220 durch sechs (allgemein m) getrennte Phasenfunktionen ΔWi(xCGH, yCGH) beschrieben werden. Jede der sechs Phasenfunktionen kann durch einen eigenen Satz von Zernike-Fringe-Koeffizienten
Nachfolgend ist eine Möglichkeit beschrieben, Zernike-Fringe-Koeffizienten
In dieser Gleichung beschreibt Win(x, y) die Phase der auf die auf die planparallele Platte einfallende Wellenfront, welche für alle Teilstrahlen i = 1, ..., m gleich ist. Wenn auf die planparallele Platte eine ebene Wellenfront einfällt, so gilt Win(x, y) = const. Wenn auf die planparallele Platte beispielsweise eine konvergente sphärische Welle mit Krümmung mit einer Wellenlänge λ einfällt, so gilt:
Die einfallende Welle kann aber auch durch beliebig andere Phasenfunktionen Win(x, y) beschrieben werden. Damit können die Phasenfunktionen ΔWi bestimmt werden, aus denen - wie weiter unten beschrieben - die Geometrie des DOE 220 bestimmt wird. Die Phasenfunktionen ΔWi(x, y), i = 1, ..., m sind dimensionslose Größen.The incident wave can also be described by any other phase functions W in (x, y). This allows the determination of the phase functions ΔW i , from which – as described below – the geometry of the DOE 220 is determined. The phase functions ΔW i (x, y), i = 1, ..., m, are dimensionless quantities.
Beim Auslegen des CGH zum Erzeugen des DOE 220 berücksichtigen die m individuellen Phasenfunktionen der m Teilstrahlen auch die Wellenfront des auf das Objektiv 200 auftreffenden Lichtstrahls 240. Das CGH ist nun dafür ausgelegt, nach Durchtritt des Lichtstrahls 240 aus diesem ein elektrisches Feld der folgenden Form zu erzeugen:
Dabei bezeichnet j im Exponenten die imaginäre Einheit und ist nicht mit dem Index j der Zernike-Fringe-Koeffizienten zu verwechseln. Die individuellen Gewichte wi werden dazu benutzt, die individuellen Intensitäten der Teilstrahlen 310 bis 360 der
Die Oberflächenbeschreibung h(xCGH, yCGH) des CGH des DOE 220 ist gegeben durch:
Die Tabelle 2 der
Der Fokus des nicht durch das DOE 220 ausgelenkten Teilstrahls 310 aus dem einlaufenden Lichtstrahl 240 wird ganz überwiegend durch die drei Linsen 213, 216 und 219 der Fokussiereinheit 210 generiert. Der Fokus ist hinsichtlich sphärischer Aberrationen und dem Erfüllen der Sinusbedingung korrigiert. Für ein Objektiv 200 mit einer Numerischen Apertur (NA) von 0,6 würde die einfache Linsengruppe der Fokussiereinheit 210 nicht in der Lage sein, beide Bedingungen des Objektivs 200 zu erfüllen. Deshalb ist der von dem CGH des DOE 220 erzeugte Teilstrahl 310 (i = 1) so ausgelegt, dass er die verbleibenden sphärischen Aberrationen der Linsen 213, 216 und 219 der Fokussiereinheit 210 kompensiert bzw. vorab kompensiert oder präkompensiert. Bei genauer Betrachtung der
In der
Für die Teilstrahlen 320 bis 360 der
Zu Illustrationszwecken ist die vollständige Phasenfunktion ΔW6(xCGH, yCGH) für den Teilstrahl 360 entsprechend i = 6 und für h6 = 5 mm in der
Die Kippung ist für die Auslenkung des Teilstrahls 360 mit i = 6 und h6 = 5 mm in Richtung des oberen Endes des Bildbereichs in
Für ein besseres Verständnis der Beziehungen der Phasenfunktionen der Teilstrahlen 310 bis 360, die das CGH den Teilstrahlen 310 bis 360 hinzufügt, werden der die Kippung bewirkende Zernike-Fringe-Koeffizient Z3 und der für die Defokussierung verantwortlich Zernike-Fringe-Koeffizient Z4 als Funktion des Fokusabstands hi von der optischen Achse 250 im Diagramm 800 der
Nach Durchtritt durch die drei Linsen 213, 216, 219 treten die Teilstrahlen 260, 265, 310, 320, 330, 340, 350, 360 in den Bildraum 270 ein. Dieser umfasst einen Luftspalt 285, der dem Arbeitsabstand 285 des Objektivs 200 von der Probenhalterung 275 (englisch: chuck) entspricht, und einen Brechungsindex n ≈ 1 aufweist. Die Probenhalterung 275 umfasst in den Beispielen der
Da die Phase, die den m Teilstrahlen durch das CGH des DOE 220 aufaddiert wird, die Abbildungsfehler oder Aberrationen der drei Linsen 213, 216, 219 der Fokussiereinheit 210 für die jeweiligen lateralen Fokuspositionen (xi, yi) der Teilstrahlen 260, 265, 310, 320, 330, 340, 350, 360 kompensiert, sind drei Linsen für die Fokussiereinheit 210 ausreichend, um qualitativ hochwertige Laser-Foki zu erzeugen. Die Beispiele der
Wie oben ausgeführt, ist die Anzahl der Teilstrahlen, die ein DOE 220 erzeugen kann, nicht auf zwei oder sechs beschränkt, vielmehr kann ein DOE 220 bzw. ein CGH zum Erzeugen einer beliebigen Anzahl m von Teilstrahlen ausgelegt werden. Zudem kann in dem Objektiv 200 das DOE 220 ausgetauscht werden, um das Objektiv 200 flexibel einsetzen zu können.As explained above, the number of partial beams that a DOE 220 can generate is not limited to two or six; rather, a DOE 220 or a CGH can be designed to generate any number m of partial beams. Furthermore, the DOE 220 in the objective 200 can be replaced, allowing for flexible use of the objective 200.
In der
Obwohl das DOE 920 bzw. dessen CGH gegenüber dem DOE 220 zum Anpassen an die Fokussiereinheit 910 geändert wurde, sind dessen grundlegende Eigenschaften identisch zum oben diskutierten CGH des DOE 220. Im Beispiel der
Der 2D Kontur-Plot 1000 des CGH des DOE 920 ist in
Das Diagramm 1102 der
Das CGH des DOE 1120 des Objektivs 1100 ist für das Erzeugen von Foki von 121 Teilstrahlen im Silizium-Wafer 1180 konzipiert. Die Design-Prinzipien des CGH des DOE 1120 sind oben im Kontext des ersten Ausführungsbeispiels erläutert. Das CGH des DOE 1120 ist so ausgelegt, dass die 121 Teilstrahlen im Silizium-Wafer 1180 in einem quadratischen Gitter in äquidistantem Abstand 121 Foki erzeugen. Die Seitenlänge des Quadrats im Bildbereich beträgt 2 mm.The CGH of the DOE 1120 lens 1100 is designed to generate foci of 121 partial beams in the silicon wafer 1180. The design principles of the DOE 1120 CGH are explained above in the context of the first embodiment. The DOE 1120 CGH is designed such that the 121 partial beams generate 121 foci in the silicon wafer 1180 in a square grid at equidistant intervals. The side length of the square in the image area is 2 mm.
Der 2D Kontur-Plot 1200 stellt die Phasenverteilung des CGH des DOE 1120 in
Das Diagramm 1302 der
Wie dem Optik-Design der
Das fünfte Ausführungsbeispiel der
Die Zylinderlinse 1430 ist entlang der Strahlrichtung unmittelbar vor dem CGH des DOE 1420 und damit in der Nähe der Pupille 1430 des Objektivs 1400 angebracht. Alternativ könnte das CGH auch in Strahlrichtung gesehen hinter dem CGH angebracht sein.The cylindrical lens 1430 is positioned along the beam direction immediately in front of the CGH of the DOE 1420 and thus near the pupil 1430 of the objective 1400. Alternatively, the CGH could also be positioned behind the CGH when viewed in the beam direction.
In allen Ausführungsbeispielen kann das DOE, das in diesen Beispielen in Form eines CGH ausgeführt ist, durch einen räumlichen Modulator für Licht (SLM) ersetzt werden, falls dessen Auflösung ausreichend ist. Da SLM schaltbar sind, können bei deren Einsatz Objektive 200, 900, 1100, 1300, 1400 hergestellt werden, bei denen die Anzahl der Teilstrahlen 260, 265 sowie die Positionen der von den Teilstrahlen 260, 265 in einer Probe 280 erzeugten Foki 290, 295 in Echtzeit einstellbar sind.In all embodiments, the DOE, which in these examples is implemented as a CGH, can be replaced by a spatial modulator for light (SLM) if its resolution is sufficient. Since SLMs are switchable, lenses 200, 900, 1100, 1300, 1400 can be produced in which the number of partial beams 260, 265 and the positions of the foci 290, 295 generated by the partial beams 260, 265 in a sample 280 can be adjusted in real time.
Die bisherigen Ausführungsbeispiele beschreiben das Fokussieren einer beliebigen Anzahl von Teilstrahlen 260, 265, 310, 320, 330, 340, 350, 360, die in einem DOE 220, 920, 1120, 1320 erzeugt durch eine Fokussiereinheit 210, 910, 1110, 1310 eines Objektivs 200, 900, 1100, 1300, 1400 in vorgegebene Positionen eines Bildraums 270, 970, 1170, 1370 fokussiert werden. Dabei liegen die Positionen der erzeugten Foki 290, 295, 1490, 1495 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 250 des Objektivs 200. In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen liegen die Foki 290, 295, 1490, 1495 in einer vorgegebenen Tiefe eines Silizium-Wafers 270, 970, 1170, 1370. Beispielsweise weist der Silizium-Wafer eine Dicke von 700 µm auf und die vorgegebene Tiefe der Foki 290, 295, 1490, 1495 soll die mittlere Tiefe des Wafers sein, d.h. die Foki sollen in einer Tiefe von 350 µm erzeugt werden, bzw. deren longitudinale Fokuspositionen sollen 350 µm betragen. Für diese Tiefe kompensiert das DOE 220, 920, 1120, 1320 des Objektivs 200, 900, 1100, 1300, 1400 die Abbildungsfehler aller optischen Elemente des Objektivs sowie die sphärischen Aberrationen, die die Wellenfronten der Teilstrahlen innerhalb des Wafers bzw. einer Probe auf ihrem Weg innerhalb der Probe erfahren. Würden die von der Probe 280 erzeugten sphärischen Aberrationen nicht korrigiert, würde dies insbesondere bei Objektiven 200 mit großer NA (≥ 0,6) die Qualität der erzeugten Foki 290, 295 deutlich verschlechtern. Eine Fokus-Qualität, ausgedrückt als RMS-Wert von kleiner 50 mλ, vorzugsweise kleiner 20 mλ bzw. kleiner 10 mλ könnte nicht erreicht werden. Wie anhand der obigen Ausführungsbeispiele diskutiert, kann ein DOE 220 neben den Aberrationen der optischen Elemente 213, 216, 219 eines Objektivs 200 auch die sphärischen Aberrationen für eine vorgegebene longitudinale Fokusposition oder Fokuslage in einer Probe 280 kompensieren.The previous embodiments describe the focusing of any number of partial beams 260, 265, 310, 320, 330, 340, 350, 360, which are generated in a DOE 220, 920, 1120, 1320 by a focusing unit 210, 910, 1110, 1310 of a lens 200, 900, 1100, 1300, 1400 into predetermined positions of an image space 270, 970, 1170, 1370. The positions of the generated foci 290, 295, 1490, 1495 lie in a plane perpendicular to the optical axis 250 of the lens 200. In the embodiments described above, the foci 290, 295, 1490, 1495 lie at a predetermined depth of a silicon wafer 270, 970, 1170, 1370. For example, the silicon wafer has a thickness of 700 µm, and the predetermined depth of the foci 290, 295, 1490, 1495 is to be the mean depth of the wafer, i.e., the foci are to be generated at a depth of 350 µm, or their longitudinal focus positions are to be 350 µm. For this depth of field, the DOE 220, 920, 1120, 1320 of the 200, 900, 1100, 1300, 1400 lens compensates for the aberrations of all optical elements of the lens as well as the spherical aberrations. which the wavefronts of the partial beams experience within the wafer or a sample on their path within the sample. If the spherical aberrations generated by the sample 280 were not corrected, this would significantly degrade the quality of the generated foci 290, 295, especially with objectives 200 with a large NA (≥ 0.6). A focus quality, expressed as an RMS value of less than 50 mλ, preferably less than 20 mλ or less than 10 mλ, could not be achieved. As discussed with reference to the above embodiments, a DOE 220 can compensate not only for the aberrations of the optical elements 213, 216, 219 of an objective 200, but also for the spherical aberrations for a given longitudinal focus position or focus location in a sample 280.
Durch Konvention wird im Folgenden die Tiefe 0 µm als die dem Objektiv 200 zugewandte Oberfläche der Probe 280 definiert. Durch diese Oberfläche dringen die Teilstrahlen 260, 265 in die Probe 280 ein.By convention, the depth 0 µm is defined below as the surface of sample 280 facing the objective 200. The partial beams 260, 265 penetrate sample 280 through this surface.
Bei vielen Anwendungen der Materialbearbeitung mit kurzen Laser-Pulsen ist es jedoch notwendig, die Eindringtiefe der Foki 290, 295, 1490, 1495 oder die longitudinale Fokusposition über die Probentiefe hinweg abstimmen zu können. Bei einer Änderung der Eindringtiefe der Foki 290, 295, 1490, 1495 in eine Probe 280, 1480 ändern sich jedoch die Wellenfronten der Teilstrahlen 260, 265, 1460, 1465 und dadurch erfahren diese sphärische Aberrationsänderungen auf ihrem Weg innerhalb der Probe 280, 1480 bis zur jeweiligen longitudinalen Fokusposition. Werden diese Änderungen der sphärischen Aberrationen nicht kompensiert, verschlechtert dies die Qualität der generierten Foki 290, 295, 1490, 1495 erheblich. Bei gleicher Änderung der Eindringtiefe in eine Probe 280, 1480 steigt die Verschlechterung mit größer werdendem Brechungsindex der Probe 280, 1480, d.h. für einen Silizium-Wafer 280, 1480 mit n ≈ 3,5 wird die Fokus-Qualität stärker heruntergesetzt als für eine Probe in Form einer Quarzplatte mit n ≈ 1,45. Zudem verschlechtern größere NA-Werte die Qualität der Foki stärker als Objektive mit bildseitig kleinen NA-Werten (≤ 0,3).In many material processing applications using short laser pulses, it is necessary to be able to adjust the penetration depth of foci 290, 295, 1490, 1495 or the longitudinal focus position across the sample depth. However, when the penetration depth of foci 290, 295, 1490, 1495 is changed within a sample 280, 1480, the wavefronts of the partial beams 260, 265, 1460, 1465 change, resulting in spherical aberration changes as they travel within the sample 280, 1480 to their respective longitudinal focus positions. If these changes in spherical aberration are not compensated for, the quality of the generated foci 290, 295, 1490, 1495 is significantly degraded. For the same change in penetration depth into a sample 280, 1480, the deterioration increases with a larger refractive index of the sample 280, 1480, i.e., for a silicon wafer 280, 1480 with n ≈ 3.5, the focus quality is reduced more than for a sample in the form of a quartz plate with n ≈ 1.45. Furthermore, larger NA values degrade the focus quality more than lenses with small image-side NA values (≤ 0.3).
Eine Möglichkeit, die durch eine geänderte Eindringtiefe der Foki 290, 295, 1490, 1495 hervorgerufene Änderung der sphärischen Aberrationen der Probe 280, 1480 zu kompensieren, ist das Einsetzen eines speziell für die neue Eindringtiefe bzw. geänderte longitudinale Fokusposition ausgelegten DOEs 220, 1420 in das Objektiv 200, 1400. Dabei kann bei Bedarf gleichzeitig die Anzahl m der erzeugten Teilstrahlen 260, 265, 1460, 1465 und der dadurch in der Probe 280, 1480 generierten Foki 290, 295, 1490, 1495 geändert werden. Zudem können - falls notwendig - die Formen der Wellenfronten der Teilstrahlen 260, 265, 1460, 1465 und damit die Form der erzeugten Foki 290, 295, 1490, 1495 verändert werden. Dies erlaubt das Erzeugen verschiedenartiger Pixel in verschiedenen Tiefen einer Probe 280, 1480 bzw. in verschiedenen longitudinalen Fokuspositionen innerhalb einer Probe 280, 1480.One way to compensate for the change in spherical aberrations of sample 280, 1480 caused by a change in the penetration depth of foci 290, 295, 1490, 1495 is to insert a DOE 220, 1420, specifically designed for the new penetration depth or changed longitudinal focus position, into the objective 200, 1400. If necessary, the number m of generated partial beams 260, 265, 1460, 1465 and the resulting number of foci 290, 295, 1490, 1495 in sample 280, 1480 can be changed simultaneously. Furthermore, if necessary, the shapes of the wavefronts of the partial beams 260, 265, 1460, 1465, and thus the shape of the generated foci 290, 295, 1490, 1495, can be changed. This allows the generation of different types of pixels at different depths of a sample 280, 1480, or at different longitudinal focus positions within a sample 280, 1480.
Nachfolgend werden nun Ausführungsbeispiele einer zweiten Option des Kompensierens von Änderungen der sphärischen Aberrationen bei geänderter Eindringtiefe der Foki 290, 295, 1490, 1495 in eine Probe 280, 1480, etwa einen Silizium-Wafer 280, 1480, erläutert. Das Diagramm 1502 der
Die Funktionen des DOEs 1520, das wiederum in Form eines CGH erzeugt wurde, sowie der Fokussiereinheit 1510 sind in den obigen Ausführungsbeispielen bereits eingehend diskutiert. Anders als in den bisherigen Ausführungsbeispielen trifft im Ausführungsbeispiel der
Soll nun die Eindringtiefe der Foki 1590, 1595 der Teilstrahlen 1560, 1565 in die Probe variiert werden - im Beispiel der
Das Verändern der Bildebene führt zu einer starken Änderung der sphärischen Aberrationen in der Probe 1580 und dadurch zu einer Verschlechterung der Qualität der Foki 1590 und 1595. Das Objektiv 1500 ist nun dafür ausgelegt, durch Verschieben der sphärischen Aberrationen im Bildraum 1570 kompensierenden Einheit 1530 entlang der optischen Achse 1550 die durch das Ändern des Arbeitsabstands 1585 hervorgerufenen Variationen der sphärischen Aberrationen im Bildraum 1570 zu kompensieren. Im Beispiel der
Die kompensierende Einheit 1530 ist so ausgelegt, dass für die nominelle longitudinale Fokusposition des Objektivs 1500 dessen sphärische Aberrationen, d.h. die Summe der sphärischen Aberrationen der Fokussiereinheit 1510 und des Bildraums 1570, gerade kompensieren. Hierfür ändert die kompensierende Einheit 1530 den in das Objektiv 1500 eintretenden kollimierten Lichtstrahl 1540 in einen nicht kollimierten, vorzugsweise einen konvergenten Lichtstrahl. Dies ermöglicht, durch Verschieben der kompensierenden Einheit 1530 entlang der optischen Achse 1550 und der dadurch bewirkten Variation des Luftraums 1505, eine Änderung der sphärischen Aberrationen des Objektivs 1500. Diese definierte Änderung der sphärischen Aberrationen des Objektivs 1500 kann so eingestellt werden, dass diese die Änderung der sphärischen Aberrationen im Bildraum 1570 beim Variieren der longitudinalen Fokusposition oder der Fokuslage innerhalb der Probe 1580 gerade kompensiert.The compensating unit 1530 is designed such that, for the nominal longitudinal focus position of the lens 1500, its spherical aberrations, i.e., the sum of the spherical aberrations of the focusing unit 1510 and the image space 1570, are exactly compensated. For this purpose, the compensating unit 1530 changes the collimated light beam 1540 entering the lens 1500 into a non-collimated, preferably a convergent, light beam. This makes it possible to change the spherical aberrations of the lens 1500 by moving the compensating unit 1530 along the optical axis 1550 and the resulting variation of the air space 1505. This defined change in the spherical aberrations of the lens 1500 can be adjusted so that it exactly compensates for the change in spherical aberrations in the image space 1570 when varying the longitudinal focus position or the focus position within the sample 1580.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der kompensierenden Einheit 1530 wird gedanklich, die Fokussiereinheit 1510 durch eine ideale Linse ersetzt und der gesamte Bildraum 1570 durch eine Plan-Asphäre, d.h. eine Linse mit einer planen Seite und einer asphärischen Seite. Das Ausmaß der sphärischen Aberrationen, die die Plan-Asphäre erzeugt, hängt von deren Ausleuchtung ab. Letztere kann durch Verschieben der kompensierenden Einheit 1530 aufgrund des nicht kollimierten Lichtstrahls am Ausgang der kompensierenden Einheit 1530 eingestellt werden. Das Verschieben der kompensierenden Einheit 1530 entlang der optischen Achse 250 ist äquivalent zum Variieren des Luftraums 1505 zwischen der kompensierenden Einheit 1530 und dem DOE 1520. Da der Luftraum 1505 zum Abstimmen bzw. Kompensieren der sphärischen Aberrationen des Bildraums 1570 benutzt wird, wird dieser auch als Abstimmluftraum 1505 bezeichnet.To illustrate the operation of the compensating unit 1530, the focusing unit 1510 is conceptually replaced by an ideal lens, and the entire image space 1570 by a plano-aspheric lens, i.e., a lens with one flat and one aspherical side. The extent of the spherical aberrations produced by the plano-aspheric lens depends on its illumination. The latter can be adjusted by moving the compensating unit 1530 based on the uncollimated light beam at the output of the compensating unit 1530. Moving the compensating unit 1530 along the optical axis 250 is equivalent to varying the airspace 1505 between the compensating unit 1530 and the DOE 1520. Since the airspace 1505 is used to tune or compensate for the spherical aberrations of the image space 1570, it is also referred to as the tuning airspace 1505.
Falls lediglich die Kompensation der Änderungen der sphärischen Aberrationen des Bildraums 1570 betrachtet wird, ist es günstig, dass die kompensierende Einheit 1530 einen stark konvergenten Ausgangsstrahl erzeugt. Dadurch kann der Verschiebeweg der kompensierenden Einheit 1530 geringgehalten werden. Wenn jedoch die Funktionen des nachfolgenden DOE 1520 nicht über Gebühr durch das Verschieben der kompensierenden Einheit 1530 verschlechtert werden soll, muss ein Kompromiss zwischen den beiden widerstreitenden Anforderungen gefunden werden. Zudem muss die Konvergenz des die kompensierende Einheit 1530 verlassenden Lichtstrahls auf die Fokuslage der Teilstrahlen 1560, 1565 im Bildraum 1570 in Betracht gezogen werden. Dies bedeutet, das Einstellen des Arbeitsabstands 1585 bzw. Δ1 kann nicht unabhängig vom Verschieben der kompensierenden Einheit 1530 bzw. Δ2 ausgeführt werden.If only the compensation of changes in the spherical aberrations of image space 1570 is considered, it is advantageous for the compensating unit 1530 to generate a highly convergent output beam. This allows the displacement of the compensating unit 1530 to be kept small. However, if the functions of the subsequent DOE 1520 are not to be unduly impaired by the displacement of the compensating unit 1530, a compromise must be found between these two conflicting requirements. Furthermore, the convergence of the light beam exiting the compensating unit 1530 to the focus position of the partial beams 1560 and 1565 in image space 1570 must be taken into account. This means that setting the working distance 1585 or Δ1 cannot be performed independently of the displacement of the compensating unit 1530 or Δ2.
Beispielsweise kann das Variieren der Eindringtiefe der Foki 1590, 1595 in eine Probe 1580 vorgenommen werden, indem zunächst der Arbeitsabstand 1585 modifiziert wird, etwa durch Verschieben des gesamten Objektivs 1500 entgegen der Strahlrichtung. Dann wird im Innern des Objektivs 1500 der Abstimmluftraum 1505 durch Verschieben der kompensierenden Einheit 1530 modifiziert. Dies hat wiederum einen (geringen) Einfluss auf die Fokuslage bzw. die longitudinale Fokusposition im Bildraum 1570, d.h. der Probe 1580. Ein iteratives Durchlaufen dieser beiden Abstimmschritte führt zum gewünschten Ergebnis. Alternativ ist es aber auch möglich, das Ändern des Arbeitsabstands 1585 und des Abstimmluftraums 1505 gleichzeitig auszuführen.For example, varying the penetration depth of the foci 1590, 1595 into a sample 1580 can be achieved by first modifying the working distance 1585, for instance by moving the entire objective 1500 against the beam direction. Then, inside the objective 1500, the tuning air space 1505 is modified by moving the compensating unit 1530. This, in turn, has a (minor) effect on the focus position or the longitudinal focus position in the image space 1570, i.e., the sample 1580. Repeating these two tuning steps iteratively leads to the desired result. Alternatively, it is also possible to change the working distance 1585 and the tuning air space 1505 simultaneously.
Zum Verschieben der kompensierenden Einheit 1530 ist lediglich ein einziger Aktuator notwendig (in der
Das Diagramm 1605 der
Das Diagramm 1635 der
Das Diagramm 1665 der
Das Objektiv 1500 ist sehr gut telezentrisch korrigiert. Dies ist eine notwendige Voraussetzung zur Verschiebung der Fokuslage der Foki 1590, 1595 von zwei oder mehr Teilstrahlen 1560, 1565 innerhalb einer Probe 1580. Würden die Lichtbündel der Teilstrahlen 1560, 1565 schief in den Bildraum 1570 eintreten, würde eine Defokussierung zwangläufig zu unerwünschtem Astigmatismus und Koma der Foki 1590, 1595 der Teilstrahlen 1560, 1565 führen.The 1500 lens is very well telecentrically corrected. This is a necessary prerequisite for shifting the focus position of foci 1590, 1595 of two or more partial beams 1560, 1565 within a sample 1580. If the light beams of the partial beams 1560, 1565 were to enter the image space 1570 obliquely, defocusing would inevitably lead to undesirable astigmatism and coma of the foci 1590, 1595 of the partial beams 1560, 1565.
Wie oben im Kontext der
Ferner sind im sechsten Ausführungsbeispiel der
Im Diagramm 1702 des siebten in der
Eine weitere Änderung des siebten Ausführungsbeispiels gegenüber dem sechsten Ausführungsbeispiel betrifft den Bildraum 1780. Anders als im sechsten Ausführungsbeispiel der
Die Spezifikationen, wie die Wellenlänge, die bildseitige NA des Objektivs 1700 sowie die Bildfeldgröße sind gleich zum sechsten Ausführungsbeispiel. Das Objektiv 1700 weist gegenüber dem Objektiv eine weitere, sechste Linse auf. Zudem ist die zu bewegende Masse der kompensierenden Einheit 1730 größer als die der kompensierenden Einheit 1530 des Objektivs 1500. Umgekehrt muss die kompensierende Einheit 1730 zum Kompensieren der sphärischen Aberrationsänderungen im Bildraum 1780 nur über eine geringe Distanz bewegt werden (vgl. Tabelle 6 der
Da die Teilstrahlen 1760 und 1765 im Abstimmluftraum 1705 stark von der Kollimation abweichen, hat dieser neben der kompensierenden Wirkung auf die sphärischen Aberrationen des Bildraums 1780 auch eine starke Auswirkung auf die Fokuslage im Bildraum 1780. Deshalb kann die Variation der longitudinalen Fokusposition bzw. der Eindringtiefe der Foki 1790 und 1795 und die Kompensation der dadurch bewirkten sphärischen Aberrationsänderungen im Bildraum 1780 nicht mehr isoliert betrachtet werden. Vielmehr sind die Bewegungen des Objektivs 1700 relativ zum Bildraum 1780, die als Δ1 bezeichnet werden, und der kompensierenden Einheit 1730 innerhalb des Objektivs 1700, die in
Im Diagramm 1802 des achten Ausführungsbeispiels wird - analog zum zweiten Ausführungsbeispiel der
Ähnlich wie im zweiten Ausführungsbeispiel der
Das Diagramm 1902 der
Aufgrund der sehr großen Brechzahl der Probenhalterung 1975 und der Probe 1980 muss das gesamte Objektiv 1900 nur wenig bewegt werden (Δ1), um den Arbeitsabstand 1985 für eine Änderung der longitudinalen Fokusposition im Bildraum 1970, d.h. im Silizium-Wafer 1980, um 500 µm zu verschieben. Andererseits erfordert das Kompensieren der großen sphärischen Aberrationsänderungen im Bildraum 1970 einen großen Verschiebeweg der kompensierenden Einheit 1930 (Δ2) innerhalb des Objektivs 1900. Die Zahlenwerte sind in der Tabelle 6 der
Schließlich zeigt das Diagramm 2002 der
Alle hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen das Erzeugen im Wesentlichen beugungsbegrenzter Foki beliebiger einstellbarer Form. Wie oben ausgeführt, kann die Strahl-aufspaltende und Abbildungsfehler-kompensierende Einheit 220, 920, 1120, 1320, 1420, 1520, 1720, 1820, 1920, 2020 dafür ausgelegt werden, neben rotationssymmetrischen Foki auch nicht-rotationssymmetrische Foki zu erzeugen, deren Wellenfronten eine vorgegebene asphärische Wellenfront aufweisen. Dadurch können in einer Probe beispielweise Pixel mit einer definiert astigmatischer Form in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung generiert werden. Zur Erzeugung nicht-rotationssymmetrischer Foki können aber auch nicht-rotationssymmetrische optische Elemente wie beispielsweise Zylinderlinsen in den optischen Strahlengang eingefügt werden, beispielsweise nahe dem kombinierten Element.All embodiments described herein enable the generation of essentially diffraction-limited foci of any adjustable shape. As explained above, the beam-splitting and aberration-compensating unit 220, 920, 1120, 1320, 1420, 1520, 1720, 1820, 1920, 2020 can be designed to generate not only rotationally symmetric foci but also non-rotationally symmetric foci whose wavefronts exhibit a predefined aspherical wavefront. This allows, for example, the generation of pixels with a defined astigmatic shape in a plane perpendicular to the beam direction within a sample. To generate non-rotationally symmetric foci, non-rotationally symmetric optical elements, such as cylindrical lenses, can also be inserted into the optical beam path, for example, near the combined element.
Die Tabelle 6 der
Schließlich präsentiert das Flussdiagramm 2200 der
Im ersten Schritt 2220 wird ein Arbeitsabstand 285, 1585 des erfindungsgemäßen Objektivs 200, 1500 in Bezug auf einen Bildraum 270, 1570 zum Fokussieren der zumindest zwei Teilstrahlen 260, 265, 1560, 1565 in eine vorgegebene Tiefe des Bildraums 270, 1570 eingestellt. Dies kann durch Bewegen des Objektivs 200, 1500 und/oder einer im Bildraum 270, 1570 angebrachten Probe 280, 1580 entlang der optischen Achse 250 des Objektivs 200, 1500 erfolgen.In the first step 2220, a working distance 285, 1585 of the lens 200, 1500 according to the invention is set with respect to an image space 270, 1570 for focusing the at least two partial beams 260, 265, 1560, 1565 into a predetermined depth of the image space 270, 1570. This can be done by moving the lens 200, 1500 and/or a sample 280, 1580 placed in the image space 270, 1570 along the optical axis 250 of the lens 200, 1500.
Bei Schritt 2230 werden die Foki 290, 295, 1590, 1595 der zumindest zwei Teilstrahlen 260, 265, 1560, 1565 im Bildraum 270, 1570 entlang der optischen Achse 250 des Objektivs 200, 1500 verschoben. Hierfür kann wiederum das Objektivs 200, 1500 und/oder die Probe 280, 1580 entlang der optischen Achse 250 des Objektivs 200, 1500 bewegt werden.In step 2230, the foci 290, 295, 1590, 1595 of the at least two partial beams 260, 265, 1560, 1565 are shifted in the image space 270, 1570 along the optical axis 250 of the objective 200, 1500. For this purpose, the objective 200, 1500 and/or the sample 280, 1580 can again be moved along the optical axis 250 of the objective 200, 1500.
Sodann erfolgt bei Schritt 2240 das Verschieben einer sphärische Aberrationen im Bildraum kompensierenden Einheit 1530 innerhalb des Objektivs 200, 1530, oder ein Wechseln der kombinierten Strahl-aufspaltenden und Abbildungsfehler-kompensierenden Einheit 220, 1520 zum Kompensieren der durch die geänderte longitudinalen Fokusposition im Bildraum 270, 1570 hervorgerufenen Änderungen der sphärischen Aberrationen. Die Schritte 2230 und 2240 sind optionale Schritte und sind deshalb in
Das Verfahren endet bei Schritt 2250.The process ends at step 2250.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann ferner den Schritt umfassen: Erzeugen nicht-rotationssymmetrischer Foki 1490, 1495 durch Einbringen eines nicht-rotationssymmetrischen Elements 1430 in den durch ein Objektiv 200, 900, 1100, 1300, 1400, 1500, 1700, 1800, 1900, 2000 eintretenden Lichtstrahl 240. Die Orientierung der nicht-rotationssymmetrischer Foki 1490, 1495 kann durch Drehen des nicht-rotationssymmetrischen Elements 1430 eingestellt werden. Insbesondere ermöglicht das Einbringen und Orientieren eines nicht-rotationssymmetrischen Elements 1430 das Schreiben von Pixeln in eine Probe 280, 1180, 1380, 1480, 1580, 1780, 1880, 1980, 2080, die in der Probe eine nicht rotationssymmetrische Mikro-Stressverteilung in einer Ebene senkrecht zur Strahlrichtung der zumindest zwei Teilstrahlen 1490, 1495 erzeugen.A method according to the invention can further comprise the step of generating non-rotationally symmetric foci 1490, 1495 by introducing a non-rotationally symmetric element 1430 into the light beam 240 entering through a lens 200, 900, 1100, 1300, 1400, 1500, 1700, 1800, 1900, 2000. The orientation of the non-rotationally symmetric foci 1490, 1495 can be adjusted by rotating the non-rotationally symmetric element 1430. In particular, the introduction and orientation of a non-rotationally symmetric element 1430 enables the writing of pixels into a sample 280, 1180, 1380, 1480, 1580, 1780, 1880, 1980, 2080, which generate a non-rotationally symmetric micro-stress distribution in the sample in a plane perpendicular to the beam direction of the at least two partial beams 1490, 1495.
Claims (19)
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2024
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Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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