DE19520187C1 - Optik zum Herstellen einer scharfen Beleuchtungslinie aus einem Laserstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Herstellen einer scharfen, eine lange und eine kurze Achse aufweisenden Beleuchtungslinie aus einem von einem Hochleistungslaser, wie einem Excimerlaser, emittierten Laserstrahl, durch eine anamor­ photische Anordnung von Abbildungs- und Homogenisieroptiken zur getrennten Abbildung und Homogenisierung des Laserstrahls in Richtung der langen und der kurzen Achsen.

Eine anamorphotische Abbildung ist eine optische Abbildung, bei der der Abbildungsmaßstab bzw. die Bildgröße in zwei senkrecht zueinander stehenden Schnitten (Richtungen) unterschiedlich ist. Optische Vorrichtungen der vorstehend genannten Art mit anamor­ photischen Anordnungen sind bekannt aus EP 0 232 037 A1, JP 07227993 A und EP 0 100 242 A2.

Excimerlaser emittieren kohärente UV-Strahlen hoher Intensität und werden insbesondere in der industriellen Fertigung, der Medi­ zin und in der Forschung eingesetzt. Auch in der Röntgenlithogra­ phie werden derartige Strahlungsquellen verwendet.

Für eine Vielzahl von Anwendungen muß der vom Excimerlaser emit­ tierte Laserstrahl optisch verarbeitet werden.

Der vom Excimerlaser (im wesentlichen unverarbeitet) emittierte Laserstrahl hat in der Regel keine gleichförmige Intensitätsver­ teilung über seinen Querschnitt. Zum Beispiel wird die Intensi­ tätsverteilung bei vielen Laserstrahlen durch eine zur Ausbrei­ tungsrichtung des Strahls rotationssymmetrische Glockenkurve beschrieben. Transversale Gasentladungslaser, wie zum Beispiel Excimerlaser, weisen zwar keine störenden Intensitätsspitzen, die über das Strahlprofil verteilt sind, auf, müssen jedoch zur homogenen Ausleuchtung einer bearbeiteten Fläche homogenisiert werden.

Die DE-A 42 20 705 beschreibt eine Vorrichtung zum Homogenisieren von insbesondere Excimerlaserstrahlen. Die gleiche Vorrichtung wird im US-Patent 5,414,559 beschrieben. Dieser Stand der Technik wird im Nachfolgenden als bekannt vorausgesetzt.

Der von einem Excimerlaser abgegebene Laserstrahl hat typischer­ weise Abmessungen von etwa 10 mal 30 mm. Für bestimmte Anwendungen muß dieser Strahl so verarbeitet werden, daß eine möglichst schma­ le, scharfe und bezüglich der Strahlungsverteilung homogene Be­ leuchtungslinie entsteht. Beispielsweise werden solche Beleuch­ tungslinien beim Einsatz von Excimerlasern zur Umkristallisation von amorphen Si-Schichten zur Herstellung von Flachbildschirmen verwendet. Für diese Anwendung sind Beleuchtungslinien mit Längen von mehreren hundert Millimetern und Breiten von typisch 0,05 mm bis 1 mm vorteilhaft. Mit der Herstellung solcher Beleuchtungsli­ nien befaßt sich die vorliegende Erfindung.

Die eingangs genannte JP 07027993 A beschreibt eine anamorphoti­ sche Homogenisieroptik, bei der der dort vorgesehene Wellenleiter mehr schmal und auch sehr breit hergestellt werden müßte, um eine lange und scharfe Linie erzeugen zu können. Die eingangs ebenfalls genannte EP 0 232 037 beschreibt eine anamorphotische Abbildung unter Verwendung des sogenannten Zoomprinzips. Die EP 0 100 242 A2 zeigt zwar auch eine anamorphotische Homogenisie­ rung, allerdings ebenfalls wie der andere genannte Stand der Technik, ohne eine homogene Ausleuchtung eines Spaltes. Auch betrifft dieser Stand der Technik Diodenlaser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrich­ tung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die Beleuchtungs­ linien herzustellen gestattet mit hohem Aspektverhältnis (Länge mal Breite der Linie), möglichst homogener Energieverteilung innerhalb der Linie, hoher Randschärfe an den Rändern der Be­ leuchtungslinie und mit einer möglichst großen Tiefenschärfe. Dabei soll die vom Laser emittierte Strahlung möglichst weitge­ hend (verlustfrei) ausgenutzt werden.

Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung zur Lösung dieses Pro­ blems zeichnet sich aus durch eine anamorphotische Anordnung von Abbildungs- und Homogenisieroptiken zur getrennten Abbildung und Homogenisierung des Laserstrahls in Richtung der langen und der kurzen Achsen, wobei zur Abbildung und Homogenisierung des Laserstrahls in Richtung der kurzen Achse ein Spalt homogen ausgeleuchtet wird und der Spalt mit einer verkleinernden Optik auf die Beleuchtungsebene abgebildet wird.

Eine anamorphotische Abbildung ist eine insbesondere nicht zen­ trierte optische Abbildung, bei der der Abbildungsmaßstab bzw. die Bildgröße in zwei senkrecht zueinander stehenden Schnitten unterschiedlich ist. Hier sind die genannten senkrecht zueinan­ der stehenden Schnitte in Richtung der langen bzw. kurzen Achse der langgestreckten Beleuchtungslinie. Es ist also eine strenge anamorphotische Trennung der Abbildung und Homogenisierung des Laserstrahls in diesen beiden, senkrecht zueinander stehenden Richtungen vorgesehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl in Richtung der langen Achse der Beleuchtungslinie nicht auf den genannten Spalt abgebildet, sondern vielmehr di­ rekt auf die Beleuchtungsebene, d. h. die Ebene, in der die Be­ leuchtungslinie auf einem zu bearbeitenden Substrat geformt wer­ den soll.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die den vorstehend genannten Spalt verkleinert (in Richtung der kurzen Achse) abbildende Optik bildseitig telezentrisch ist. Telezentrisch ist ein zentriertes optisches System dann, wenn es einen achsparallelen Hauptstrahlenverlauf erzeugt. Bei einem bildseitig telezentrischen optischen System liegt die Austritts­ pupille im Unendlichen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a, b schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen optischen Vorrichtung zum Herstellen einer scharfen Beleuchtungslinie, und zwar Fig. 1a den Strah­ lengang zur Erzeugung der sogenannten kurzen Strahl­ achse und Fig. 1b den Strahlengang zur Erzeugung der langen Strahlachse der Beleuchtungslinie;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Intensitätsverteilung einer Beleuchtungslinie gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Intensitätsverteilung einer erfindungsgemäß hergestellten Beleuchtungslinie und

Fig. 4 schematisch eine Beleuchtungslinie in Draufsicht zur Erläuterung der hier genannten Abmessungen und Achsen.

Die in den Fig. 1a und 1b dargestellte optische Anordnung weist einen Excimerlaser 10 auf, der einen gepulsten Strahl 12 in be­ kannter Weise emittiert. Beispielsweise kann der emittierte Exci­ merlaserstrahl 12 Abmessungen von 10 mal 30 mm aufweisen. Dieser abgegebene Laserstrahl soll mittels der nachfolgend beschriebenen Optik zu einer Beleuchtungslinie B (Fig. 1a, 1b unten rechts) verarbeitet werden.

Die Optik gemäß Fig. 1a und 1b ist insgesamt eine anamorphotische Anordnung in dem Sinne, daß die Verarbeitung des Laserstrahls 12 in den Richtungen der langen bzw. kurzen Achse der Beleuchtungs­ linie jeweils voneinander weitestgehend unabhängig erfolgt, was in den Fig. 1a bzw. 1b jeweils gezeigt ist.

Der vom Excimerlaser 10 emittierte Strahl 12 passiert zunächst gegebenenfalls einen Abschwächer 14 und gelangt dann in ein ana­ morphotisches Zylinderlinsenteleskop 16. Mittels des Zylinderlin­ senteleskops 16 wird der Strahl an die Abmessungen einer Eingangs­ apertur 18 der nachfolgenden optischen Elemente angepaßt. Dabei wird das Nahfeld des Excimerlasers 10 in die Nähe der nachfolgend näher beschriebenen Eingangsaperturen (nicht näher dargestellt) von Homogenisieroptiken 20, 22 übertragen. Die Homogenisieropti­ ken 20, 22 entsprechen bevorzugt den in der obengenannten DE-OS 42 20 705 bzw. der US-PS 5,414,559 beschriebenen Homogenisierop­ tiken. Andere, ebenfalls verwendbare, jedoch weniger bevorzugte Homogenisieroptiken sind in der DE 38 29 728 A1 und in der DE 38 41 045 A1 beschrieben.

Die Homogenisierung des Laserstrahls wird ebenfalls anamorpho­ tisch durchgeführt.

Zur Herstellung der sogenannten kurzen Achse der Beleuchtungs­ linie (also zur Verringerung des Strahldurchmessers auf die Brei­ te der Beleuchtungslinie - typischerweise 0,05 mm bis 1 mm) wird gemäß Fig. 1a zunächst ein Spalt 26 mittels der Homogenisieroptik 22 und einer Feldlinse 24 homogen ausgeleuchtet. Dabei kommt es besonders darauf an, den Spalt 26 effizient (d. h. unter möglichst vollständiger Ausnutzung der vom Laser gelieferten Strahlungs­ energie) möglichst homogen auszuleuchten. Bei Verwendung einer Homogenisieroptik gemäß dem vorstehend genannten, hier in die Offenbarung eingeschlossenen Stand der Technik nach der US-PS 5,414,559 wird die dort beschriebene erste Reihe von Linsen (das sogenannte Beleuchtungsarray 22a, also die auf der Lichteingangs­ seite angeordneten Linsen) mit einem Abstand f (2) von dem soge­ nannten Abbildungsarray 22b (also die der Abbildung zugekehrte Abbildungslinse) angeordnet, wobei der Abstand f (2) die Brenn­ weite der Abbildungslinse ist. Hierdurch wird eine optimale Rand­ schärfe des Beleuchtungsfeldes in der Ebene des Spaltes 26 er­ reicht.

Im weiteren Verlauf der Herstellung der kurzen Achse A_s der Be­ leuchtungslinie B wird der Spalt 26 mit einer verkleinernden Zylinderlinsenoptik 32 in die Beleuchtungsfeldebene 40 auf einem Substrat 38 abgebildet. Dabei wird der Strahl gemäß der Figur an einem Spiegel 28 umgelenkt und gelangt vor Eintritt in die ver­ kleinernde Optik 32 in deren Eingangspupille 30.

Bei der verkleinernden Abbildung mittels der Optik 32 in die Beleuchtungslinienebene 40 wird erreicht, daß die Beleuchtungs­ linie B in ihrer Schärfe (Kantenschärfe) durch die Abbildungsei­ genschaften der Optik 32 bestimmt wird. Die Optik 32 wird (im Sinne eines Objektivs) so eingesetzt, daß der Spalt 26 verklei­ nert abgebildet wird, z. B. im Verhältnis 5 : 1. Mit derartigen Optiken können Randschärfen von bis zu wenigen µm erreicht wer­ den, wobei die hohe Randschärfe zugleich mit einer sehr guten Tiefenschärfe einhergeht. Auf diese Weise kann eine Randschärfe von 20 µm bei einer Tiefenschärfe von typisch +/- 200 µm erreicht werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Optik 32 zur Ab­ bildung des Spaltes 26 auf die Ebene 40, in der die Beleuchtungs­ linie B erzeugt werden soll, bildseitig telezentrisch, d. h. der Hauptstrahl steht senkrecht auf der Ebene 40 des zu bearbeiten­ den Substrates 38. Die Feldlinse 24 und die Beleuchtungspupille 30 können dabei so angeordnet werden, daß die Energiedichten auf den Umlenkspiegeln und auch auf den anderen Oberflächen der opti­ schen Elemente so gering gehalten werden können, daß das hoch­ energetische Laserlicht diese nicht verändert und somit lange Standzeiten (1000 Mio Pulse und mehr) erreicht werden können.

Weiterhin ermöglicht die dargestellte Anordnung der optischen Elemente bei der Herstellung der kurzen Achse der Beleuchtungs­ linie sehr große Arbeitsabstände zum zu bearbeitenden Substrat 38, welches bei vielen Anwendungen in einer Vakuumkammer (nicht gezeigt) angeordnet werden muß. In Fig. 1a und 1b ist ein Fen­ ster 36 einer Vakuumkammer schematisch dargestellt. Die Abstände zwischen der Verkleinerungsoptik 32 und dem Fenster 36 einerseits und zwischen dem Fenster 36 und dem Substrat 38 andererseits können jeweils relativ groß (10 bis 20 cm und mehr) gehalten werden. So ist zum Beispiel Platz für einen teildurchlässigen Spiegel 34 zur Abzweigung eines Teilstrahls 44 (wenige Prozent), der mittels eines Mikroskop-Objektivs 46 auf einen Festkörper- Bildwandler 48 abgebildet wird zur Überwachung des Strahlprofils.

Die Herstellung der langen Beleuchtungsachse A₁ erfolgt gemäß Fig. 1b mit der Homogenisieroptik 20, die wieder bevorzugt gemäß der DE 42 20 705 A1 bzw. der US-PS 5,414,559 ausgebildet ist. Dabei ist die Bildebene der Abbildung durch die Homogenisieroptik 20 in der Bildebene der Optik 32 angeordnet, die den Spalt 26 verkleinert auf die Ebene 40 der Beleuchtungslinie B, d. h. die Oberfläche des zu bearbeitenden Substrates 38, abbildet. Um eine große Tiefenschärfe und gute Homogenität der Energieverteilung der Strahlung zu erreichen, erfolgt die Abbildung mittels der Homogenisieroptik 20 mit 30- bis 40facher Vergrößerung.

Die Fig. 2 und 3 illustrieren das mit der vorstehend beschrie­ benen Optik erreichte Ergebnis, nämlich eine Beleuchtungslinie B mit sehr hohem Aspektverhältnis (große Länge und kurze Breite) mit extrem scharfen Rändern. Fig. 4 illustriert die verwendeten Bezeichnungen und Dimensionen hinsichtlich der Beleuchtungslinie B. Dabei ist Fig. 4 nur schematisch und nicht maßstäblich zu verstehen. Die lange Achse A₁ der Beleuchtungslinie entspricht deren Länge und die kurze Achse A_s deren Breite. Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie I-II der Fig. 4 und zeigt, daß im Ver­ gleich zum Stand der Technik gemäß Fig. 2 eine extrem scharfe Kantenschärfe der Intensitätsverteilung und auch eine extrem gute Homogenisierung der Energieverteilung der Strahlung über den Querschnitt erreicht wird. Beispielsweise wird eine Rand­ schärfe von nur 20 µm erreicht, d. h. die Strahlungsintensität geht von praktisch 0 auf den vollen Wert auf einer Strecke von weniger als 20 µm (Fig. 3).

Die vorstehend beschriebene Optik hat auch den Vorteil, daß der Abbildungsmaßstab nicht wesentlich von der Stellung des zu bear­ beitenden Substrates 38 abhängt, sondern lediglich der Kontrast des Bildfeldrandes. Die Energiedichte innerhalb der Beleuchtungs­ linie ist im wesentlichen konstant, solange nicht die Breite in die Größenordnung der Auflösung kommt.

Claims (2)

1. Optische Vorrichtung zum Herstellen einer scharfen, eine lange und eine kurze Achse (A₁, A_s) aufweisenden Beleuchtungs­ linie (B) aus einem von einem Hochleistungslaser (10), wie einem Excimerlaser, emittierten Laserstrahl (12), durch eine anamor­ photische Anordnung von Abbildungs- und Homogenisieroptiken (16, 18, 20, 22, 24, 26, 30, 32) zur getrennten Abbildung und Homoge­ nisierung des Laserstrahls in Richtung der langen und der kurzen Achsen (A₁, A_s), dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung und Homogenisierung des Laserstrahls in Richtung der kurzen Achse (A_s) ein Spalt (26) homogen ausgeleuchtet wird und der Spalt (26) mit einer verkleinernden Optik (32) auf die Beleuchtungs­ ebene (40) abgebildet wird.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spalt (26) verkleinert in Richtung der kurzen Achse (A_s) abbildende Optik (32) bildseitig telezentrisch ist.