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Die
Erfindung betrifft ein optisches System zum Erzeugen eines Lichtstrahls
zur Behandlung eines in einer Substratebene angeordneten Substrats, wobei
der Lichtstrahl in einer ersten Dimension senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtstrahls eine Strahllänge und in einer zweiten
Dimension senkrecht zur ersten Dimension und zur Lichtausbreitungsrichtung
eine Strahlbreite aufweist, wobei die Strahllänge groß gegenüber
der Strahlbreite ist, mit einer ersten optischen Anordnung, die
eine Mehrzahl von in der ersten Dimension nebeneinander angeordneten
Lichtkanälen definiert, die den Lichtstrahl in der ersten
Dimension in eine Mehrzahl von Teilfeldern aufteilen, wobei die
Teilfelder in der ersten Dimension aneinander überlagert
in die Substratebene einfallen.
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Ein
solches optisches System ist aus
WO 2006/066706 A2 bekannt.
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Ein
optisches System der eingangs genannten Art wird beispielsweise
zum Aufschmelzen von Materialien, insbesondere auf dem Gebiet der
lichtinduzierten Kristallisation von Silicium verwendet. Ein spezieller
Anwendungsfall ist die Flachbildschirmherstellung, bei der mit einer
amorphen Siliciumschicht versehene Substrate mit einem Lichtstrahl
behandelt werden, um das Silicium zu kristallisieren. Die verwendeten
Substrate weisen dabei relativ große Abmessungen auf, beispielsweise
im Bereich von über 30 cm × über 50 cm.
Mit einem optischen System der eingangs genannten Art wird entsprechend
ein Lichtstrahl erzeugt, der in einer ersten Dimension (die nachfolgend
mit X bezeichnet wird) eine Strahllänge aufweist, die etwa
der Breite des Substrats (beispielsweise etwa 30 cm) entspricht.
In der zur X-Dimension senkrechten Dimension (im Nachfolgenden mit
Y bezeichnet) soll der Lichtstrahl so dünn wie möglich
sein, wobei Strahlbreiten in der Y-Dimension von wenigen Mikrometern
erwünscht sind, um eine für die Behandlung des
Substrats möglichst hohe Energiedichte zu erhalten.
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Der
so auf das Substrat applizierte Lichtstrahl weist demnach ein großes
Verhältnis aus Strahllänge in der X-Dimension
und der Strahlbreite in der Y-Dimension auf, das je nach Strahllänge
größer als 5.000, sogar größer
als 10.000 sein kann.
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Der
Lichtstrahl, der zur Behandlung des Substrats dient, muss dabei
im Wesentlichen zwei Anforderungen genügen, und zwar zum
einen muss die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls in
der X-Dimension so homogen wie möglich sein, und in der
Y-Dimension sollte die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls
eine möglichst große Kantensteilheit besitzen.
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Insbesondere
das Problem der Homogenität des Lichtstrahls in der (großen)
X-Dimension wurde bislang noch nicht in zufriedenstellender Weise
gelöst. Das aus dem eingangs genannten Dokument
WO 2006/066706 A2 bekannte
optische System weist eine optische Anordnung auf, die eine Mehrzahl von
in der ersten Dimension nebeneinander angeordneten Lichtkanälen
definiert, die den Lichtstrahl in der ersten Dimension in eine Mehrzahl
von Teilfeldern aufteilen, die sich in der ersten Dimension teilweise überlappen,
wobei die Teilfelder in der ersten Dimension einander überlagert
in die Substratebene einfallen. Die die Lichtkanäle definierende
optische Anordnung ist bei dem bekannten optischen System in Form
eines ein- oder zweielementigen Wabenkondensors ausgebildet. Der
Wabenkondensor ist als Zylinderlinsenarray ausgebildet, d. h. eine
Mehrzahl von einzelnen Zylinderlinsen sind in der X-Dimension nebeneinander
angeordnet, wobei jede einzelne Zylinderlinse einen Lichtkanal definiert,
wobei der Lichtstrahl beim Durchtritt durch die mehreren Lichtkanäle in
eine entsprechende Anzahl von Teilfeldern aufgeteilt wird. Mittels
einer nachfolgenden Kondensoroptik werden die einzelnen Teilfelder
dann auf dem Substrat in der X-Dimension wieder überlagert,
wodurch eine Mischung und damit Homogenisierung der Intensitätsverteilung
des Lichtstrahls in der X-Dimension erreicht wird.
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Bei
dem bekannten optischen System ist die Homogenität der
Intensitätsverteilung in der X-Dimension nicht optimal.
Bei dem bekannten optischen System tritt der Lichtstrahl, üblicherweise
ein Laserstrahl mit einer Abmessung XL in
der ersten Dimension und einer Abmessung YL in
der zweiten Dimension und einer von der Lichtquelle vorgegebenen
Divergenz DX in der ersten Dimension und
einer Divergenz DY in der zweiten Dimension
auf die erste optische Anordnung in Form des Wabenkondensors ein. Es
wurden insbesondere Interferenzeffekte und Schwebungseffekte im
Lichtstrahl auf dem Substrat beobachtet, die das Ergebnis der Behandlung
des Substrats mit dem Lichtstrahl verschlechtern.
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US 2008/0013182 A1 offenbart
eine zweistufige Homogenisieroptik zum Homogenisieren eines Laserstrahls.
Die Homogenisieroptik wird in einem optischen System verwendet,
bei dem mittels eines Laserlichtstrahls durch eine Lochmaske hindurch eine
Vielzahl von miniaturisierten Löchern in ein Substrat gebohrt
werden können, bspw. für die Herstellung von Tintenstrahldruckern.
Das dort beschriebene optische System weist eine erste Homogenisieroptik
mit zwei Linsenarrays und einer Kondensorlinse sowie eine Vorhomogenisieroptik
auf, die ebenfalls zwei Linsenarrays und eine Kondensorlinse aufweist. Die
Vorhomogenisieroptik soll bewirken, dass der Laserlichtstrahl die
Eintrittspupillen der Zylinderlinsen des ersten Linsenarrays der
Homogenisieroptik etwa gleichmäßig ausleuchtet.
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US 2008/0014685 A1 offenbart
ein optisches System zur Kristallisation von Schichten aus amorphem
Silicium auf Glassubstraten. Das optische System erzeugt dazu einen
Linienfokus, der in der einen Dimension eine große Länge
und in der dazu senkrechten Dimension eine geringe Breite aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel weist das optische System drei
Laserlichtquellen auf, deren Lichtstrahlen einander teilweise überlagert
durch eine Homogenisieroptik in Form eines Wabenkondensors mit zwei
Linsenarrays und einer Kondensorlinse gerichtet werden. Hierdurch
soll eine hohe Homogenität der Lichtintensität
im Linienfokus erzielt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
werden die von den mehreren Laserlichtquellen erzeugten Lichtstrahlen
zunächst durch eine Vorhomogenisieroptik gerichtet, bevor
sie durch die Homogenisieroptik gerichtet werden. Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel weist die Homogenisieroptik
anstelle eines Wabenkondensors ein Array von länglichen
reflektierenden Oberflächen auf. Weitere optische Elemente zur
Verwendung in der Homogenisieroptik, die dort beschrieben sind,
sind ein Stufenprisma sowie ein Array von Spiegeln.
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US 2005/0177973 A1 offenbart
ein optisches System, das wie das zuvor bekannte System zur Kristallisation
von Schichten aus amorphem Silicium verwendet werden kann. Dort
wird die Verwendung eines Lichtmodulationselements in einem solchen optischen
System beschrieben, mit dem eine vorbestimmte Lichtintensitätsverteilung
in der Substratebene eingestellt werden kann, die entlang einer
Richtung des Lichtstrahls variiert. Das dort beschriebene optische
System weist eine erste Homogenisieroptik und eine zweite Homogenisieroptik
auf. Mittels der zwei Homogenisieroptiken soll das Laserlicht mit
homogener Lichtintensitätsverteilung auf das Lichtmodulationselement
gerichtet werden.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein optisches System der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden,
dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Das optische
System soll in der Lage sein, einen Lichtstrahl zur Behandlung eines Substrats
mit großer Strahllänge und kleiner Strahlbreite
zu erzeugen, dessen Intensitätsverteilung in der X-Dimension
noch homogener ist.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Systems dadurch gelöst,
dass eine zweite optische Anordnung in Lichtausbreitungsrichtung
vor der ersten optischen Anordnung angeordnet ist, die in der ersten
Dimension eine solche Ausdehnung aufweist und ein Winkelspektrum
des auf die zweite optische Anordnung einfallenden Lichtstrahls
in der ersten Dimension so verbreitert, dass der Lichtleitwert der
zweiten optischen Anordnung in der ersten Dimension zumindest 50% bis
100% des Gesamtlichtleitwerts des optischen Systems in der ersten
Dimension beträgt, so dass näherungsweise alle
Lichtkanäle der ersten optischen Anordnung gleichmäßig
mit Licht ausgeleuchtet sind.
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Bei
dem erfindungsgemäßen optischen System ist der
ersten optischen Anordnung, die den einfallenden Lichtstrahl in
Teilfelder aufteilt, eine zweite optische Anordnung vorgeschaltet,
die den auf die zweite optische Anordnung einfallenden Lichtstrahl
in der Weise vorbearbeitet, dass der Lichtstrahl anschließend
mit einem verbreiterten Winkelspektrum und hoher Ausdehnung in der
ersten Dimension auf die erste optische Anordnung einfällt.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen System fällt
der Lichtstrahl somit im Unterschied zu dem bekannten optischen System
nicht mit der vorgegebenen natürlichen Divergenz des Lichtstrahls
in die einzelnen Lichtkanäle der ersten optischen Anordnung
ein, sondern mit einer durch die zweite optische Anordnung stark
vergrößerten Divergenz bzw. Apertur. Bei dem bekannten
optischen System sind die einzelnen Lichtkanäle der ersten
optischen Anordnung nur unzureichend mit Licht gefüllt,
wodurch Interferenz- und Schwebungseffekte in der Substratebene
verursacht werden. Bei dem erfindungsgemäßen optischen
System werden die einzelnen Lichtkanäle der ersten optischen
Anordnung demgegenüber aufgrund des zuvor verbreiterten
Winkelspektrums des einfallenden Lichtstrahls gleichmäßiger
mit Licht gefüllt, mit anderen Worten tritt der Lichtstrahl
in die erste optische Anordnung, die die Lichtkanäle definiert,
vorhomogenisiert ein. Die zweite optische Anordnung bewirkt somit
eine zusätzliche Mischung des Lichts des einfallenden Lichtstrahls,
wodurch die nachfolgende erste optische Anordnung den Lichtstrahl
noch wirksamer homogenisieren kann. Über die zweite optische
Anordnung wird vorzugsweise der gesamte benötigte Lichtleitwert
in der X-Dimension eingeführt, und zwar in einer einzigen
Stufe, nämlich durch die zweite optische Anordnung. Die
Intensitätsverteilung des mit dem erfindungsgemäßen
optischen System erzeugten Lichtstrahls ist in der Substratebene
somit wesentlich homogener als bei dem bekannten optischen System,
wodurch das Ergebnis der Behandlung des Substrats mit dem Lichtstrahl
verbessert wird.
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Unter
Lichtleitwert in der ersten Dimension und Gesamtlichtleitwert in
der ersten Dimension wird hier der eindimensionale Lichtleitwert
bzw. Gesamtlichtleitwert in dieser X-Dimension verstanden. Der Lichtleitwert
LLWx der ersten optischen Anordnung ist dabei
durch die Gleichung gegeben: LLWx = Dx·NAx, wobei
Dx die Erstreckung der ersten optischen
Anordnung in der ersten Dimension und NAx die
numerische Apertur der ersten optischen Anordnung in der ersten
Dimension ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung beträgt der Lichtleitwert
der zweiten optischen Anordnung 70% bis 100%, vorzugsweise 80% bis
100%, weiter vorzugsweise 90% bis 100% des Gesamtlichtleitwerts
des optischen Systems.
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Je
höher der von der zweiten optischen Anordnung in das System
eingeführte Lichtleitwert ist, umso homogener ist die Intensitätsverteilung
des linienförmigen Lichtstrahls in der Substratebene.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die optischen Eigenschaften
der zweiten optischen Anordnung so ausgelegt, dass von einem beliebigen Teilbereich
der zweiten optischen Anordnung entlang der ersten Dimension ausgehendes
Licht jeweils zumindest näherungsweise die volle Winkelinformation enthält
und näherungsweise in jeden Lichtkanal der ersten optischen
Anordnung eintritt.
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In
dieser Ausgestaltung wird die erste optische Anordnung mit anderen
Worten mit der Apertur der zweiten optischen Anordnung über
die Größe der ersten optischen Anordnung vollständig
ausgeleuchtet. Demnach wird bei dieser Ausgestaltung jede räumliche
Mode des auf die zweite optische Anordnung einfallenden Lichtstrahls über
die gesamte erste optische Anordnung, d. h. die Gesamtheit der durch
diese definierten Lichtkanäle verteilt. Unter „Teilbereich” ist
hier ein minimaler Bereich der zweiten optischen Anordnung mit Erstreckung
in der ersten Dimension zu verstehen, von dem ausgehendes Licht
die nahezu vollständige oder die vollständige Winkelinformation
enthält. Ein solcher Teilbereich wird üblicherweise
auch als „Pitch” bezeichnet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die zweite optische
Anordnung dazu ausgelegt, durch Lageverstellung, insbesondere durch
Drehung um die Lichtausbreitungsrichtung die Strahlbreite des einfallenden
Lichtstrahls in der zweiten Dimension zu verändern.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass die zweite optische Anordnung nicht nur zur
Homogenisierung des Lichtstrahls in der X-Dimension beiträgt,
sondern auch eine zweite Funktion erfüllt, nämlich
die Strahlbreite des einfallenden Lichtstrahls in der zweiten Dimension
zu verändern. Hierdurch lässt sich auch in der
Y-Dimension ein kleiner Lichtleitwert kontrolliert und einstufig
einführen. Die Veränderbarkeit der Strahlbreite
des einfallenden Lichtstrahls in der zweiten Dimension ist erwünscht,
weil die Strahlbreite ein Parameter der substratabhängigen
Behandlung ist. Mit der zuvor genannten Ausgestaltung werden zusätzliche
optische Anordnungen zur Strahlverbreiterung in Y, wie beispielsweise
in
WO 2006/066706
A2 beschrieben, eingespart.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die zweite optische
Anordnung zumindest ein optisches Element mit einer in der ersten
Dimension eindimensional streuend und/oder beugend wirkenden Struktur
auf.
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Ein
solches optisches Element kann refraktiv oder diffraktiv sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das zumindest eine optische
Element ein diffraktives optisches Element.
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Vorzugsweise
weist die streuend und/oder beugend wirkende Struktur Strukturelemente
auf, die aperiodische Teilstrukturen bilden, wobei jede Teilstruktur
einen der oben genannten Teilbereiche bildet, von denen jeweils
ausgehendes Licht zumindest näherungsweise die volle Winkelinformation
enthält.
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In
dieser Ausgestaltung weist das zumindest eine optische Element der
zweiten optischen Anordnung aperiodische Teilstrukturen auf, die
durch einzelne Strukturelemente gebildet werden. Mehrere Strukturelemente,
die sich untereinander hinsichtlich Abstand und/oder Größe
(in Richtung der ersten Dimension) unterscheiden, bilden jeweils
eine Teilstruktur, wobei jede einzelne Teilstruktur einen „Pitch” bzw.
einen der oben genannten Teilbereiche bildet, von denen ausgehendes
Licht jeweils die gesamte oder nahezu gesamte Winkelinformation
enthält. Durch die Aperiodizität der Teilstrukturen
untereinander werden nun vorteilhafterweise bereits vor dem Eintritt
des Lichtstrahls in die erste optische Anordnung periodische Interferenzen
vermieden, die von der ersten optischen Anordnung nur bis zu einem
bestimmten Maß weggemischt werden können und somit
zu einer Restmodulation in der Substratebene führen könnten.
Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Lichtkanäle
der ersten optischen Anordnung selbst eine mehr oder weniger periodische
Struktur besitzen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind Abstände
zwischen jeweils benachbarten Teilstrukturen und/oder die Größe
der Teilstrukturen in der ersten Dimension der streuend und/oder
beugend wirkenden Struktur des optischen Elements unterschiedlich.
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In
dieser Ausgestaltung kann das zumindest eine optische Element mit
in der ersten Dimension eindimensional beugend wirkender Struktur
in einer sehr einfachen Realisation als Strichgitter ausgebildet
sein, wobei der Strichabstand zwischen den einzelnen Strichen des
Gitters von Strich zu Strich stochastisch variiert. Mehrere solcher
Striche bilden dann jeweils eine Teilstruktur bzw. einen Teilbereich, die
bzw. der dem Licht jeweils einzeln die volle Winkelinformation vermittelt.
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Ein
eindimensionales Gitter ist in Bezug auf die oben genannte Ausgestaltung,
wonach die zweite optische Anordnung durch Lageverstellung die Strahlbreite
des einfallenden Lichtstrahls in der zweiten Dimension verändert,
besonders vorteilhaft, da zur Vergrößerung der
Strahlbreite bzw. zur Verringerung der Strahlbreite in der zweiten
Dimension das Gitter, wie in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
vorgesehen ist, lediglich um die Achse der Lichtausbreitungsrichtung
verdrehbar in dem optischen System gelagert werden muss. Sobald
die Striche des eindimensionalen Gitters aus einer 0°-Stellung,
in der die Striche des Gitters senkrecht zur X-Dimension verlaufen,
gedreht sind, wirkt das Gitter auch in der Y-Dimension beugend,
wodurch die Strahlbreite in der Y-Dimension vergrößert
wird. Auf diese Weise kann mit dem eindimensionalen Gitter in der
Y-Dimension aus einer Gauss-förmigen Intensitätsverteilung
eine breitere tophatförmige (d. h. Intensitätsverteilung
mit flachem Plateau und hoher Kantensteilheit) mit entsprechender
Strahlbreite in der Y-Dimension eingestellt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein mittlerer Abstand
der Abstände zwischen jeweils benachbarten Teilstrukturen
der streuend und/oder beugend wirkenden Struktur des optischen Elements
so gewählt, dass Licht aus jeder lateralen Kohärenzzelle
des auf die zweite optische Anordnung einfallenden Lichtstrahls
von der ersten optischen Anordnung näherungsweise über
die gesamte Strahllänge in die Substratebene gerichtet
wird.
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Da
der Lichtstrahl üblicherweise aus einem Laserstrahl geformt
wird, weist der Lichtstrahl in Richtung der ersten Dimension eine
vorbestimmte laterale Kohärenzlänge auf. Unter
lateraler Kohärenzlänge ist hier der Abstand zweier
Teilstrahlen, die in der ersten Dimension voneinander beabstandet
sind, zu verstehen, die gerade noch miteinander interferenzfähig
sind. Die Ausdehnung der einzelnen lateralen Kohärenzzellen
in der ersten Dimension entspricht der lateralen Kohärenzlänge.
Im Fall, dass Licht aus den einzelnen Kohärenzzellen nur
in einen oder wenige Lichtkanäle der ersten optischen Anordnung
einfallen, kann dies zu Interferenzerscheinungen in der Ebene des
Substrats führen. In der vorstehend genannten Ausgestaltung
ist dagegen der mittlere Teilstrukturabstand des optischen Elements
so gewählt, dass jede Kohärenzzelle des Lichtstrahls das
Substrat in guter Näherung homogen ausleuchtet. Damit kommt
Licht aus jeder Kohärenzzelle an jede Stelle des Substrats
und erlaubt somit, den Specklekontrast (der aufgrund des Verhaltens
der einzelnen Lasermoden stochastischer Natur ist) durch statistisch
aufgesammelte Phasen so gering wie möglich zu halten.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn ein mittlerer Abstand der Abstände
zwischen jeweils benachbarten Teilstrukturen der streuend und/oder
beugend wirkenden Struktur des optischen Elements so gewählt
ist, dass durch die erste optische Anordnung verursachte Interferenzkontraste
auf dem Substrat minimiert werden.
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Mit
dieser Maßnahme ist der mittlere Teilstrukturabstand des
optischen Elements auf die erste optische Anordnung abgestimmt,
die im Fall der Ausgestaltung der ersten optischen Anordnung als
Wabenkondensor Interferenzeffekte verursachen kann, die aber durch
die Anpassung des mittleren Abstands der Teilstrukturen eliminiert
oder zumindest reduziert werden können. Interferenzkontraste
sind im Unterschied zu Specklekontrasten deterministischer Natur und
beruhen auf der Überlagerung von kohärenten Teilstrahlen
in der Substratebene.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung genügt der mittlere
Abstand der Abstände jeweils benachbarter Teilstrukturen
der Relation:
Laterale Kohärenzlänge lc des Lichtstrahls < mittlerer Abstand der Teilstrukturen.
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In
einer noch weiter bevorzugten Ausgestaltung genügt der
mittlere Abstand der Abstände jeweils benachbarter Teilstrukturen
der Relation:
1/3 < mittlerer
Abstand/laterale Kohärenzlänge lc des Lichtstrahls < 5,
vorzugsweise:
1 < mittlerer Abstand/laterale
Kohärenzlänge lc des Lichtstrahls < 3.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die zweite optische
Anordnung eine Kondensoroptik auf, wobei das zumindest eine optische
Element mit der in der ersten Dimension eindimensional wirkenden
und/oder beugenden Struktur zusammen mit der Kondensoroptik eine
gleichmäßige Ausleuchtung der ersten optischen
Anordnung ergibt.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass der Lichtstrahl durch die zweite optische
Anordnung im Zusammenwirken des optischen Streuelements/diffraktiven
optischen Elements mit der Kondensoroptik eine Intensitätsverteilung
in der X-Dimension aufweist, die eine hohe Kantensteilheit besitzt.
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Die
erste optische Anordnung weist vorzugsweise zumindest ein Zylinderlinsenarray
auf, wobei Zylinderachsen der einzelnen Zylinderlinsen in der zweiten
Dimension ausgerichtet sind, und wobei die einzelnen Zylinderlinsen
vorzugsweise plankonvexe Zylinderlinsen sind.
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In
dieser Ausgestaltung, die an sich bekannt ist, werden die einzelnen
Lichtkanäle der ersten optischen Anordnung durch die einzelnen
Zylinderlinsen gebildet. Im Unterschied zu dem bekannten optischen
System werden jedoch die einzelnen Zylinderlinsen durch die vorgeschaltete
zweite optische Anordnung zur Einführung des vorzugsweise
nahezu gesamten Lichtleitwerts in das System mit dem vorhomogenisierten
Lichtstrahl wesentlich gefüllter ausgeleuchtet.
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Dabei
ist es weiterhin bevorzugt, wenn zur seitlichen Begrenzung des einfallenden
Lichtstrahls in der ersten Dimension das Zylinderlinsenarray jeweils
durch einen keilförmigen lichtdurchlässigen Randbereich
begrenzt ist, dessen Oberfläche bspw. in der zweiten Dimension
gegenüber einer Ebene senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung
geneigt ist.
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Die
beiden keilförmigen lichtdurchlässigen Bereiche
begrenzen den optisch nutzbaren Bereich des Zylinderlinsenarrays,
was sich ebenfalls positiv auf die Homogenität der Intensitätsverteilung
des Lichtstrahls in der Substratebene auswirkt. Wie bereits oben
ausgeführt, wird die Homogenität des Lichtstrahls
in der Substratebene verbessert, wenn nur möglichst vollständig
vom Licht ausgefüllte Lichtkanäle der ersten optischen
Anordnung zu dem Lichtstrahl in der Ebene des Substrats beitragen.
Die hier vorgesehene Maßnahme zur Begrenzung des auf das
Zylinderlinsenarray einfallenden Lichtstrahls hat gegenüber
einer klassischen Blende den Vorteil, dass der Wärmeeintrag
aufgrund von Absorption deutlich verringert ist. Durch die keilförmigen
lichtdurchlässigen Randbereiche wird das auf diese Randbereiche
einfallende Licht beispielsweise in die Y-Dimension abgelenkt und
kann in einer Lichtfalle unschädlich gemacht werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erste optische
Anordnung eine Kondensoroptik auf, die zumindest eine bikonkave
Linse aufweist.
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Das
oder die zuvor genannten Zylinderlinsenarrays, die die Lichtkanäle
der ersten optischen Anordnung definieren, spannen den Lichtstrahl
zusammen mit der Kondensoroptik in der X-Dimension in der Substratebene
auf. Die zumindest eine vorgesehene bikonkave Linse in der Kondensoroptik
der ersten optischen Anordnung kann vorteilhafterweise dazu dienen,
die Homogenität des Lichtstrahls in der Substratebene im
Randbereich in der X-Dimension weiter zu optimieren. Die Homogenität
des Lichtstrahls kann in der Substratebene nämlich bspw.
einen quadratischen Verlauf annehmen, der dann durch eine entsprechende
Durchbiegung der bikonkaven Linse kompensiert werden kann, die an
die Korrektur des nicht-konstanten Verlaufs der Homogenität
des Lichtstrahls entsprechend angepasst ist. Es können
mehrere solcher Linsen mit unterschiedlichen Durchbiegungen bereitgehalten
werden, die austauschweise in das System eingebracht werden können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das optische System
eine dritte optische Anordnung auf, die den einfallenden Lichtstrahl
in der zweiten Dimension auf das Substrat fokussiert, wobei die dritte
optische Anordnung aus Spiegeln aufgebaut ist.
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Das
optische System zur Erzeugung eines Lichtstrahls zur Behandlung
eines Substrats ist somit aus zwei Teilsystemen aufgebaut, von denen
das eine Teilsystem den Lichtstrahl nur in der X-Dimension formt,
um den Lichtstrahl entsprechend der Strahllänge mit optimaler
Homogenität in der X-Dimension zu formen, und wobei das
andere Teilsystem die Strahlbreite des Lichtstrahls in der Ebene
des Substrats formt, wobei die minimale Strahlbreite durch Fokussierung
erreicht wird. Die Verwendung von Spiegeln für die Fokussierung
des Lichtstrahls auf das Substrat ist in Bezug auf das sehr große
Verhältnis aus Strahllänge und Strahlbreite gegenüber
einer refraktiven Anordnung von Vorteil, weil eine refraktive Anordnung
aufgrund der Abhängigkeit der Brechung vom Sinus des Einfalls-
bzw. Ausfallswinkels zu Nichtlinearitäten der Abbildung
Anlass gibt.
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Dabei
ist es bevorzugt, wenn die dritte optische Anordnung zumindest zwei
Zylinderspiegel aufweist, deren jeweilige Zylinderachse in der ersten
Dimension verläuft, wobei ein erster Spiegel ein konvexer
Spiegel und ein zweiter Spiegel ein konkaver Spiegel ist.
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Der
Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass der Arbeitsabstand,
d. h. der Abstand zwischen dem Substrat und dem letzten optischen
Element vor dem Substrat groß gewählt werden kann,
und die Abbildungsqualität gleichzeitig hoch ist. Durch
Variation der Einfallswinkel, Spiegelradien und Abstände
kann bei einer Anordnung aus einem konvexen Spiegel und einem konkaven
Spiegel der Arbeitsabstand und der Abbildungsmaßstab innerhalb
weiter Grenzen eingestellt und gleichzeitig Koma und sphärische
Abberation kompensiert werden. Vorzugsweise folgen der konvexe und
der konkave Spiegel in Lichtausbreitungsrichtung gesehen unmittelbar
aufeinander.
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Die
vorstehend genannten Ausgestaltungen der dritten optischen Anordnung
werden auch ohne das Kennzeichen des Anspruchs 1 als eigenständige Erfindung
angesehen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein optisches Element
zur Strahlbegrenzung in der zweiten Dimension mit variabler Einstellung
eines Durchlassbereiches des optischen Elements zur Strahlbegrenzung
vorhanden.
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Wie
bereits oben erwähnt, ist es in Abhängigkeit des
zu behandelnden Substrats erforderlich, verschiedene Parameter des
Lichtstrahls zu verändern. So ist es zum Beispiel von Substrat
zu Substrat erforderlich, die Strahlbreite zu variieren oder die
im Lichtstrahl enthaltene Energie und/oder Energiedichte. Durch
eine einstellbare Strahlbegrenzung in der Y-Dimension kann die auf
das Substrat einwirkende Lichtenergie verändert werden.
Wird zum Beispiel der Durchlassbereich des optischen Elements zur
Strahlbegrenzung erhöht, so wird die auf das Substrat einfallende
Energie erhöht. Die Erhöhung des Durchlassbereiches
des optischen Elements zur Strahlbegrenzung kann jedoch die zeitliche
Stabilität der Lichtenergie und der Lichtenergiedichte
verschlechtern, wodurch wiederum das Ergebnis der Behandlung des
Substrats verschlechtert werden kann. Dies hängt damit
zusammen, dass im Fall, dass das Intensitätsprofil des
Lichtstrahls in der Y-Dimension keine hohe Kantensteilheit aufweist,
sich eine auch nur geringfügige Verschiebung des Lichtstrahls
in der Y-Dimension in einer Veränderung der von dem optischen Element
zur Strahlbegrenzung durchgelassenen Energie äußert.
Verschiebungen des Lichtstrahls können durch Fluktuationen
in der Position des Strahlengangs verursacht werden, jedoch kann
auch die Intensitätsverteilung im Lichtstrahl über
den Prozess fluktuieren. Im Zusammenhang mit der vorstehend genannten
Maßnahme kann nun die bereits oben erwähnte Ausgestaltung
besonders vorteilhaft genutzt werden, wonach die zweite optische
Anordnung durch Lageverstellung die Strahlbreite des einfallenden
Lichtstrahls in der zweiten Dimension verändern kann. Wird
nämlich der Durchlassbereich des optischen Elements zur
Strahlbegrenzung vergrößert, kann gleichzeitig
mit der zweiten optischen Anordnung die Strahlbreite des einfallenden
Lichtstrahls vergrößert werden, wodurch das Intensitätsprofil
des Lichtstrahls im Durchlassbereich des optischen Elements zur
Strahlbegrenzung verbreitert wird, so dass sich Fluktuationen in
der Position oder in der Profilform des Lichtstrahls auch bei einem
großen Durchlassbereich des optischen Elements zur Strahlbegrenzung
nicht negativ auf die Homogenität des Lichtstrahls in der
Y-Dimension in der Ebene des Substrats auswirken. Das Strahlbegrenzungselement
kann in der dritten optischen Anordnung, aber auch an anderer Stelle
im System angeordnet sein.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug
auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines optischen Systems zum Erzeugen eines
Lichtstrahls zur Behandlung eines Substrats, wobei das System in
der XZ-Ebene dargestellt ist;
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2 ein
Ausführungsbeispiel eines optischen Elements des optischen
Systems in 1, wobei das optische Element
in der XY-Ebene dargestellt ist;
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3 eine
Seitenansicht in X-Richtung des optischen Elements in 2;
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4 einen
Ausschnitt des optischen Systems in 1 in einem
gegenüber 1 vergrößerten
Maßstab in einer Darstellung in der XZ-Ebene;
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5 den
Ausschnitt in 4 in einer Darstellung in der
YZ-Ebene;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel für optische Elemente
der optischen Anordnung in 5 in einer
Darstellung in der YZ-Ebene; und
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7 eine
Prinzipdarstellung eines Ausschnitts der optischen Anordnung in 5,
die die Anpassung der Strahlbreite an den Durchlassbereich eines
optischen Elements zur Strahlbegrenzung des optischen Systems in 1 veranschaulicht.
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In 1 ist
ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes optisches
System zum Erzeugen eines Lichtstrahls zur Behandlung eines Substrats
schematisch dargestellt.
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Das
System 10 wird insbesondere in einer Anlage zum flächigen
Aufschmelzen von Schichten auf Substraten mittels eines Lichtstrahls
verwendet. Spezieller wird das optische System 10 in einer
Anlage zur Kristallisation von Siliciumschichten aus amorphem Silicium
für die Flachbildschirmherstellung verwendet.
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Das
optische System 10 ist in einer solchen Anlage zum flächigen
Aufschmelzen von Schichten auf Substraten ein Bestandteil eines
optischen Gesamtsystems, das neben dem optischen System 10 noch
weitere nicht dargestellte optische Einheiten aufweist, bspw. eine
Lichtquelle, insbesondere einen Laser, Strahlaufweitungsoptiken,
Pulsvervielfacher und -stretcher, Abschwächer und dergleichen.
Das optische System 10 gemäß 1 kann
in einem solchen optischen Gesamtsystem in Lichtausbreitungsrichtung
gesehen die letzte in einer nachfolgend noch zu erläuternden
X-Dimension optisch wirksame Einheit vor dem Substrat sein, wie
hier dargestellt. Das System 10 ist entsprechend in Lichtausbreitungsrichtung
gesehen von einer gedachten Lichteintrittsebene 12 des
Lichteintritts in das optische System 10 bis zu einer Substratebene 14 gezeigt,
in der sich ein nicht dargestelltes Substrat befindet.
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Das
optische System 10 ist dazu ausgelegt, in der Substratebene 14 einen
Lichtstrahl zu erzeugen, der in einer ersten Dimension, die nachfolgend als
X-Dimension bezeichnet wird, eine Strahllänge L und in
einer zweiten Dimension, die nachfolgend als Y-Dimension bezeichnet
wird, eine Strahlbreite B (siehe 5) aufweist,
wobei die Strahllänge L gegenüber der Strahlbreite
B sehr viel größer ist. Die Strahllänge
L beträgt mehr als 100 mm, bspw. etwa 300 mm und die Strahlbreite
B beträgt weniger als 50 μm, insbesondere weniger
als 10 μm, bspw. etwa 5 μm.
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In 1 ist
die Lichtausbreitungsrichtung, die sowohl senkrecht zur X-Dimension
als auch senkrecht zur Y-Dimension verläuft, mit Z bezeichnet.
In 1, die das optische System 10 in der
XZ-Ebene zeigt, ist ein Koordinatenkreuz 16 zur Veranschaulichung
eingezeichnet.
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Das
optische System 10 weist eine erste optische Anordnung 18 und
in Lichtausbreitungsrichtung gesehen vor der ersten optischen Anordnung 18 eine
zweite optische Anordnung 20 auf.
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Die
erste optische Anordnung 18 weist ein optisches Element 22 und
ein optisches Element 24 auf. Das optische Element 22 definiert
in der X-Dimension eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten
Lichtkanälen 26, die den einfallenden Lichtstrahl
in der X-Dimension in eine Mehrzahl von Teilfeldern aufteilen. In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel in 1 definiert
das optische Element 22 insgesamt sieben solcher Lichtkanäle.
Es können aber wesentlich mehr sein. Das optische Element 24 definiert
ebenfalls eine Mehrzahl von in der X-Dimension nebeneinander angeordneten
Lichtkanälen 28, im Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ebenfalls sieben derartiger
Lichtkanäle 28.
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Sowohl
das optische Element 22 als auch das optische Element 24 sind
jeweils in Form von Zylinderlinsenarrays ausgebildet, wobei sich
die jeweiligen Zylinderachsen der einzelnen Zylinderlinsen in der
Y-Dimension, also senkrecht zur Zeichenebene in 1 erstrecken.
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Wie
aus 1 hervorgeht, sind die einzelnen die Lichtkanäle 26 und 28 bildenden
Zylinderlinsen jeweils plankonvex ausgebildet. Die Zylinderlinsen
des optischen Elements 22 stehen dabei mit ihrer konvexen
Lichtaustrittsseite der konvexen Lichteintrittseite der Zylinderlinsen
des optischen Elements 24 gegenüber.
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Die
Lichtkanäle 26 und 28 der optischen Elemente 22 und 24 teilen
den in die optischen Element 22 und 24 einfallenden
Lichtstrahl in der X-Dimension in eine Mehrzahl von Teilfeldern
auf, wobei in 1 drei Teilfelder 30, 32 und 34 beispielhaft
dargestellt sind.
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Die
Anordnung aus den optischen Elementen 22 und 24 wird
auch als (Doppel-)Wabenkondensor bezeichnet. Die erste optische
Anordnung 18 weist außer dem Wabenkondensor noch
eine zusätzliche Kondensoroptik 36 auf, die eine
plankonvexe Linse 38 und eine bikonkave Linse 40 aufweist.
Die erste optische Anordnung 18 wirkt auf den einfallenden
Lichtstrahl lediglich in der X-Dimension, während sie den
einfallenden Lichtstrahl in der Y-Dimension nicht oder im Wesentlichen
nicht beeinflusst. Entsprechend sind die Linsen 38 und 40 als
Zylinderlinsen ausgebildet, deren Zylinderachse in der Y-Dimension
verläuft.
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Die
Teilfelder 30, 32, 34, die durch den Durchgang
des Lichtstrahls durch die einzelnen Lichtkanäle 26, 28 der
ersten optischen Anordnung 18 entstehen, werden durch die
Kondensoroptik 36 in der Substratebene 14 in der
X-Dimension einander überlagert. Durch die Aufteilung des
auf die erste optische Anordnung 18 einfallenden Lichtstrahls
in eine Mehrzahl von in der ersten Dimension nebeneinander angeordneten
Teilfeldern und die Überlagerung dieser Teilfelder in der
ersten Dimension in der Substratebene 14 wird die Intensitätsverteilung
im auf die Substratebene einfallenden Lichtstrahl 14 in
der X-Dimension homogenisiert, weil Licht aus jedem der Lichtkanäle 26, 28 mit
dem Licht aus den anderen der Lichtkanäle 26, 28 gemischt
wird. Diese durch die erste optische Anordnung 18 bewirkte
Lichtmischung ist jedoch nicht optimal, wenn die Lichtkanäle 26, 28 von
dem auf die einzelnen Lichtkanäle 26, 28 einfallenden
Lichtstrahl nicht hinreichend mit Licht ausgefüllt werden.
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Um
dies zu erreichen, ist bei dem optischen System 10 die
zweite optische Anordnung 20 vorgesehen.
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Die
zweite optische Anordnung 20 weist in der ersten Dimension
X eine solche Ausdehnung auf und verbreitert ein Winkelspektrum
des auf die zweite optische Anordnung 18 einfallenden Lichtstrahls 42 in
der ersten Dimension X so, dass der Lichtleitwert LLWx der
zweiten optischen Anordnung 20 in der ersten Dimension
X 50% bis 100% des Gesamtlichtleitwerts des optischen Systems 10 in
der ersten Dimension X beträgt, so dass näherungsweise
alle Lichtkanäle 26, 28 der ersten optischen
Anordnung 18 gleichmäßig mit Licht ausgeleuchtet
sind. Vorzugsweise beträgt der Lichtleitwert der zweiten
optischen Anordnung 20 70% bis 100%, vorzugsweise 80% bis 100%,
weiter vorzugsweise 90% bis 100% des Gesamtlichtleitwerts des optischen
Systems 10. Die zweite optische Anordnung 20 führt
somit zumindest näherungsweise den gesamten Lichtleitwert
des optischen Systems 10 in einer einzigen Stufe ein, wodurch
zumindest näherungsweise alle Lichtkanäle 26
, 28 der
ersten optischen Anordnung 18 gleichmäßig
mit Licht ”gefüllt” sind.
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Dies
wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert,
dass die zweite optische Anordnung 20 ein eindimensional,
und zwar in der X-Dimension streuend und/oder beugend wirkendes
optisches Element 44, insbesondere ein diffraktives optisches
Element aufweist. Der Lichtleitwert LLWx an der
Stelle des optischen Elements 44 ist gegeben durch LLWx = Dx·NAx, wobei Dx die Erstreckung
des optischen Elements 44 in der X-Dimension und NAx seine numerische Apertur ist. Durch die
Streuung bzw. Beugung des einfallenden Lichtstrahls 42 an dem
optischen Element 44 wird das Winkelspektrum im Lichtstrahl 42 so
verbreitert, dass von einem beliebigen Teilbereich des optischen
Elements 44 entlang der ersten Dimension ausgehendes Licht
zumindest näherungsweise in jeden Lichtkanal 26 des
optischen Elements 22 der ersten optischen Anordnung 18 einfällt.
Für drei Teilbereiche 46, 48 und 50 ist
dies in 1 veranschaulicht. Das Licht,
das von jedem Teilbereich 46, 48, 50 ausgeht,
trifft auf alle Lichtkanäle 26 des optischen Elements 22 und
damit auch auf alle Lichtkanäle 28 des optischen
Elements 24. Über das optische Element 44 wird
der einfallende Lichtstrahl 42 mit anderen Worten so umgeformt, dass
er vorhomogenisiert in die erste optische Anordnung 18 einfällt.
Unter einem wie vorstehend genannten Teilbereich ist jeweils ein
minimaler Bereich des optischen Elements 44 zu verstehen,
der die vollständige Winkelinformation enthält.
Ein solcher Teilbereich wird auch als „Pitch” bezeichnet.
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Es
versteht sich, dass die in 1 beispielhaft
gezeigten Teilbereiche 46, 48 und 50 entlang
der X-Dimension beliebig ausgewählt sind, d. h. dass die Teilbereiche
in der X-Dimension über das optische Element 44 verteilt
sind. Über die Ausdehnung des optischen Elements 44 in
der X-Dimension gesehen füllt das von dem Element 44 ausgehende
Licht die Lichtkanäle nahezu vollständig, zumindest
aber zu 80% aus.
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Die
zweite optische Anordnung 20 weist weiterhin eine Kondensoroptik 52 auf,
die den durch das optische Element 44 divergent gestreuten
bzw. gebeugten Lichtstrahl 42 auf die erste optische Anordnung 18 richtet.
Die Kondensoroptik 52 weist hier zwei plankonvexe Linsen 54 und 56 auf.
Die zweite optische Anordnung 20 erzeugt insgesamt in der X-Dimension
eine gleichmäßige, insbesondere tophatförmige
Ausleuchtung der ersten optischen Anordnung 18, d. h. über
die Erstreckung der ersten optischen Anordnung 20 in der
X-Dimension weist der Lichtstrahl am Ausgang der ersten optischen
Anordnung 20 bzw. am Eintritt in das optische Element 22 der
ersten optischen Anordnung 18 ein Intensitätsprofil
mit einem sich in der X-Dimension über die Erstreckung
des optischen Elements 22 erstreckendes Intensitätsplateau
mit sich daran beidseitig anschließenden steilen Kanten
auf. Die erste optische Anordnung 18 wird somit in ihrer
Größe in der X-Dimension mit der Apertur des optischen
Elements 44 ausgeleuchtet. Mit anderen Worten wird durch
die zweite optische Anordnung 20 jede räumliche
Mode des einfallenden Lichtstrahls 42, der von einem Laser kommt, über
die gesamte Erstreckung des optischen Elements 22 der ersten
optischen Anordnung 18 verteilt. Auf diese Weise wird mit
dem optischen Element 44 praktisch der gesamte benötigte
Lichtleitwert in der X-Dimension, wie oben erläutert, in
das optische System 10 eingeführt, wodurch die
einzelnen Lichtkanäle 26, 28 der ersten
optischen Anordnung 18 nahezu vollständig gefüllt
bzw. ausgeleuchtet sind.
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Das
optische Element 44 ist vorzugsweise als eindimensionales
Gitter, insbesondere als Strichgitter ausgebildet. In diesem Fall
weist das optische Element 44 als Striche, Furchen oder
dergleichen ausgebildete Strukturelemente auf, die untereinander
unterschiedlich beabstandet sind und/oder unterschiedliche Größen
in Richtung der ersten Dimension X aufweisen. Mehrere solcher Strukturelemente bilden
jeweils eine Teilstruktur 58, wobei jede der Teilstrukturen 58 einen
entsprechenden Teilbereich 46, 48 oder 50 darstellt,
von dem ausgehendes Licht die volle Winkelinformation enthält.
Die Teilstrukturen 58 bilden somit die oben genannten Teilbereiche,
von denen ausgehendes Licht in jeden der Lichtkanäle 26, 28 gelangt.
Die Teilstrukturen 58 erstrecken sich senkrecht zu ihrer
Wirkungsrichtung (X-Dimension) in der Y-Dimension. Der Abstand und/oder
die Größe der einzelnen Teilstrukturen 58 des
Gitters ist dabei nicht konstant, d. h. die durch die Strukturelemente gebildeten
Teilstrukturen 58 des optischen Elements 44 sind
aperiodisch. Hierdurch werden bereits Interferenzmodulationen des
aus der zweiten optischen Anordnung 20 austretenden Lichtstrahls
vor dem Eintritt in die erste optische Anordnung 18 eliminiert, die
ansonsten von den optischen Elementen 22, 24 und
deren im Wesentlichen periodischer Struktur in die Substratebene 14 übertragen
werden könnten.
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Der
mittlere Abstand oder gleichbedeutend die Größe
in der X-Dimension der Teilstrukturen 58 des Gitters ist
dabei so gewählt, dass Licht aus jeder in der X-Dimension
lateralen Kohärenzzelle des einfallenden Lichtstrahls 42 nahezu über
die Strahllänge L in der X-Dimension von der ersten optischen
Anordnung 18 in die Substratebene 14 gerichtet
wird. Der mittlere Abstand der Teilstrukturen 58 des Gitters ist
weiterhin mit der Maßgabe gewählt, dass durch die
erste optische Anordnung 18 verursachte Interferenzkontraste,
die durch die periodische Struktur der Lichtkanäle 26, 28 entstehen
können, in der Substratebene 14 minimiert sind.
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Der
mittlere Abstand der Teilstrukturen 58 des Gitters genügt
dabei der Relation:
Laterale Kohärenzlänge
lc des Lichtstrahls 42 < mittlerer Abstand
der Teilsttrukturen 58.
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Vorzugsweise
genügt der mittlere Abstand der Abstände jeweils
benachbarter Teilstrukturen 58 der Relation:
1/3 < mittlerer Abstand
der Teilstrukturen 58/laterale Kohärenzlänge
lc des Lichtstrahls 42 < 5, weiter vorzugsweise
1 < mittlerer Abstand
der Teilstrukturen 58/laterale Kohärenzlänge
lc Lichtstrahls < 3.
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Unter
lateraler Kohärenzlänge lc ist
hier der Abstand zweier Teilstrahlen des Lichts zu verstehen, die
in der ersten Dimension X voneinander beabstandet sind, die gerade
noch miteinander interferenzfähig sind.
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Wenn
der in das optische System 10 einfallende Lichtstrahl 42 gepulst
ist, wobei in einem solchen Fall vor dem optischen System 10 ein
nicht dargestelltes Pulsverlängerungsmodul angeordnet ist, kann
vorgesehen sein, das Pulsverlängerungsmodul mit Versatzelementen,
beispielsweise Platten und Keilen auszustatten, so dass aufeinanderfolgende Sub-Pulse
an unterschiedlichen Orten und/oder mit unterschiedlichem Winkel
in das optische System 10 eintreten. Der Ort- und/oder
Winkelversatz ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass die
unterschiedlichen Wege der Sub-Pulse durch das optische System 10 zu
unterschiedlichen Interferenzmustern in der Substratebene 14 führen.
Da die Sub-Pulse zeitversetzt in der Substratebene 14 ankommen,
können sie nicht miteinander interferieren, so dass mit
diesen Versatzelementen eine weitere Interferenzkontrastreduktion
in der Substratebene 14 möglich ist.
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Das
eindimensional streuend oder beugend wirkende optische Element 44 ist
weiterhin um die Z-Richtung verdrehbar. Hierdurch kann die eindimensional
streuend oder beugend wirkende Struktur des optischen Elements 44 aus
einer ausschließlichen Erstreckung in der X-Dimension in
eine Lage gebracht werden, in der die eindimensional wirkende Struktur
eine Wirkungskomponente auch in der Y-Dimension entfaltet, was dazu
genutzt werden kann, die Strahlbreite B des Lichtstrahls in der Substratebene 14 zu
vergrößern oder entsprechend zu verkleinern, wie
später noch beschrieben wird.
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Gemäß 1 sind
die Linsen 54, 56, die Zylinderlinsenarrays der
optischen Elemente 22, 24 und die Linse 38 plankonvex
ausgebildet. Die Linse 40 hingegen ist bikonkav ausgebildet.
Die Durchbiegung der bikonkaven Linse 40 ist daran angepasst,
einen nicht-konstanten Verlauf der Homogenität des Lichtstrahls
in der Substratebene 14 zu korrigieren. Damit kann in der
X-Dimension ein quadratischer Verlauf der Intensität des
auf die Substratebene 14 einfallenden Lichtstrahls angepasst
bzw. kompensiert werden. In Bezug auf die X-Dimension kann sich
nämlich die Intensität des auf die Substratebene 14 einfallenden
Lichtstrahls zum Rand hin verringern oder verstärken, wobei
diese Verringerung oder Verstärkung häufig einen
quadratischen Verlauf annimmt. Durch eine entsprechend angepasste
Verteilung der Brechkraft auf die Lichteintrittseite 60 und
die Lichtaustrittsseite 62 der Linse 40 kann hier
die Homogenität in der X-Dimension in den Randbereichen
verbessert werden.
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Mit
Bezug auf 2 und 3 wird ein
weiterer Aspekt des optischen Systems 10 beschrieben. 2 und 3 zeigen
das optische Element 22 in Draufsicht in der XY-Ebene (2)
und in der YZ-Ebene (3).
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In 2 ist
der Bereich des optischen Elements 22, der das Zylinderlinsenarray
aufweist, mit dem Bezugszeichen 64 versehen. In 1 ist
das optische Element 22 nur im Bereich des Zylinderlinsenarrays 64 dargestellt.
Der Bereich 64 ist gemäß 2 zu
beiden Seiten in der X-Dimension durch einen keilförmigen
lichtdurchlässigen Randbereich 66, 68 begrenzt,
deren jeweilige Oberfläche 70 bzw. 72 beispielsweise
in der Y-Dimension geneigt ist. Hierdurch wird Licht, das auf die
keilförmigen Randbereiche 66, 68 einfällt,
beispielsweise in die Y-Richtung abgelenkt, so dass Licht aus den
keilförmigen Randbereichen 66 und 68 nicht
in das zweite optische Element 24 bzw. das Zylinderlinsenarray
des optischen Elements 24 einfällt. Das von den
keilförmigen Randbereichen 66 und 68 abgelenkte
Licht kann in einer Lichtfalle unschädlich gemacht werden,
beispielsweise in einem optischen Strahlbegrenzungselement im weiteren
Strahlengang des optischen Systems 10, der nachfolgend
noch beschrieben wird. Gemäß 3 sind
die beiden keilförmigen Randbereiche 66 und 68 gegensinnig
zueinander geneigt, jedoch können die beiden keilförmigen
Randbereiche 66 und 68 auch gleichsinnig geneigt,
und auch parallel zueinander sein. Durch die Strahlbegrenzung des
auf das optische Element 22 einfallenden Lichtstrahls in
den keilförmigen Randbereichen 66 und 68 wird
vermieden, dass ein oder mehrere der Lichtkanäle 28 des optischen
Elements 24 nicht vollständig gefüllt
bzw. gleichmäßig ausgeleuchtet sind, was, wie
bereits oben beschrieben wurde, zu einer verschlechterten Homogenität
des Lichtstrahls in der Substratebene 14 führen
könnte.
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Die
bisherige Beschreibung des optischen Systems 10 bezog sich
auf die Formung des einfallenden Lichtstrahls 42 in der
X-Dimension. Nachfolgend wird eine dritte optische Anordnung 74 des
optischen Systems 10 beschrieben, die den einfallenden
Lichtstrahl 42 in der Y-Dimension formt, um den Lichtstrahl 42 in
die Substratebene 14 mit der gewünschten Strahlbreite
B zu fokussieren. In 1 ist die dritte optische Anordnung 74 durch
eine einzelne Linie 76 zusammengefasst dargestellt.
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4 zeigt
die dritte optische Anordnung 74 ebenfalls wie in 1 in
der XZ-Ebene, und zwar ausgehend von der vereinfacht dargestellten
Kondensoroptik 36 der ersten optischen Anordnung 18 in 1. 5 zeigt
die dritte optische Anordnung 74 in der YZ-Ebene, in der
die dritte optische Anordnung 74 wirksam ist.
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Die
dritte optische Anordnung 74 weist reflektierende Elemente
auf, und umfasst einen Spiegel 82 und einen Spiegel 84.
In 4 sind die Spiegel 82 und 84 als
Linien dargestellt, da 4 eine Darstellung in der XZ-Ebene
ist, und die Spiegel 82 und 84 in der XZ-Ebene
nicht wirksam sind.
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Vor
dem Spiegel 82 ist ein optisches Element 86 zur
Strahlbegrenzung in der Y-Dimension angeordnet.
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Das
Element 86 kann auch an anderer Stelle im System 10 angeordnet
sein, bspw. noch vor der zweiten optischen Anordnung 20.
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Das
optische Element 86 weist einen Durchlassbereich 88 auf,
der in der Y-Richtung variabel einstellbar ist. Der einfallende
Lichtstrahl wird auf den Durchlassbereich 88 des optischen
Elements 86 gerichtet, und mittels der Spiegel 82 und 84 wird
der Durchlassbereich 88 des optischen Elements 86 in die
Substratebene 14 verkleinert abgebildet. Über
die Einstellung der Größe des Durchlassbereichs 88 in der
Y-Dimension kann die Strahlbreite B in der Substratebene 14 eingestellt
werden, d. h. wenn die Strahlbreite B in der Substratebene 14 vergrößert werden
soll, wird dazu der Durchlassbereich 88 des optischen Elements 86 in
der Y-Dimension vergrößert.
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Eine
kontrollierte Vergrößerung der Strahlbreite B
in der Substratebene 14 lässt sich jedoch nicht
nur einfach durch eine Vergrößerung des Durchlassbereiches 88 des
optischen Elements 86 erreichen, vielmehr muss dazu auch
der auf das optische Element 86 einfallende Lichtstrahl
an den vergrößerten Durchlassbereich 88 angepasst
werden. Denn auch in der Y-Dimension muss ein kleiner Anteil des
Lichtleitwertes in der Y-Dimension kontrolliert eingebracht werden.
Dies wird mit Bezug auf 7 hiernach näher beschrieben.
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7 zeigt
das optische Element 86 zur Strahlbegrenzung in der Y-Dimension
mit zwei unterschiedlich groß eingestellten Durchlassbereichen 88a und 88b.
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Des
Weiteren sind in 7 zwei Strahlprofile 90a und 90b eines
auf das optische Element 86 einfallenden jeweiligen Lichtstrahls
dargestellt.
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Betrachtet
man den Fall, dass der Durchlassbereich 88 des optischen
Elements 86 zur Strahlbegrenzung gemäß dem
Durchlassbereich 88a, also schmal eingestellt ist, und
trifft ein Lichtstrahl mit einem Strahlprofil oder Intensitätsprofil
gemäß dem Strahlprofil 90a auf das optische
Element 86 ein, so wirken sich geringfügige Verschiebungen
dieses Lichtstrahls in der Y-Dimension auf die Stabilität
der Intensität des Lichtstrahls in der Substratebene 14 so gut
wie nicht aus. Ist demgegenüber der Durchlassbereich 88 des
optischen Elements 86 auf den Durchlassbereich 88b in 7 eingestellt,
d. h. ist der Durchlassbereich 88 des optischen Elements 86 groß,
und würde derselbe Lichtstrahl mit dem Strahlprofil 90a auf
das optische Element 86 einfallen, so würden sich
bereits geringfügige Verschiebungen bzw. Fluktuationen
des Lichtstrahls in der Y-Dimension abträglich auf die
Strahlqualität, insbesondere die zeitliche Stabilität
der Intensität in der Y-Dimension auswirken. Daher ist
bei dem optischen System 10 vorgesehen, die Strahlbreite
des auf das optische Element 86 einfallenden Lichtstrahls
an die Größe des Durchlassbereiches 88 anzupassen.
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Dies
wird bei dem optischen System 10 dadurch realisiert, dass
das optische Element 44 der zweiten optischen Anordnung 20 um
die Z-Richtung drehbar ist. Die eindimensional wirkende streuende oder
beugende Struktur 58 bewirkt bei einer Verdrehung des optischen
Elements 44 um die Z-Richtung eine kontrolliert einstellbare
Strahlverbreiterung in der Y-Dimension, weil die eindimensional
wirkenden Strukturelemente 58 nun auch eine Komponente
in der Y-Dimension besitzen. Das durch Drehen des optischen Elements 44 erzeugte
Strahlprofil ist in 7 durch das Strahlprofil 90b dargestellt.
Durch die Strahlverbreiterung des Lichtstrahls ist das Strahlprofil 90b in
der Y-Dimension im Wesentlichen tophatförmig mit einem
mittleren Intensitätsplateau und großer Kantensteilheit
ausgebildet. Fluktuationen der Position des Lichtstrahls in der
Y-Dimension machen sich somit auch bei dem größeren
Durchlassbereich 88b des optischen Elements 86 in
der Substratebene 14 nicht nachteilig hinsichtlich der
Qualität des Lichtstrahls und seiner zeitlichen Stabilität
in der Substratebene 14 bemerkbar.
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Die
durch die Verbreiterung des Lichtstrahls bewirkte Verringerung der
Energie und Energiedichte in der Substratebene 14 kann
durch eine Erhöhung der Energie an der Lichtquelle kompensiert
werden.
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In 6 ist
noch ein weiterer Aspekt des optischen Systems 10 dargestellt.
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Wie
bereits erwähnt, ist die dritte optische Anordnung 74 in
Bezug auf die Fokussierung des Lichtstrahls in der Y-Dimension in
die Substratebene 14 aus reflektiven Elementen aufgebaut.
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6 zeigt
nun ein Ausführungsbeispiel der dritten optischen Anordnung,
bei der die die Spiegel 82 und 84 gemäß 5 beide
als gewölbte Spiegel ausgebildet sind, wobei der Spiegel 82 als
konvexer Spiegel ausgebildet ist, und der Spiegel 84 als
konkaver Spiegel. Die Spiegel 82 und 84 folgenden
unmittelbar aufeinander.
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Insbesondere
sind die Spiegel 82 und 84 als Zylinderspiegel
ausgebildet, deren Zylinderachsen sich in Richtung der X-Dimension
(senkrecht zur Zeichenebene in 6) erstrecken.
Die Verwendung von zumindest einem konvexen und zumindest einem
konkaven Spiegel in der dritten optischen Anordnung 74 hat
den Vorteil, dass der Arbeitsabstand A, d. h. der Abstand zwischen
der Substratebene 14 und dem letzten optischen Element 84 größer
gewählt werden kann als bei einem Abbildungssystem, das
zumindest auch refraktive Elemente zur Abbildung verwendet. Durch
Variation der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf die Spiegel 82 und 84,
durch Variation der Spiegelradien und/oder durch Variation der Spiegelabstände
kann der Arbeitsabstand A und der Abbildungsmaßstab der
optischen Anordnung 74 innerhalb weiter Grenzen eingestellt
werden, und es können auch Koma und sphärische
Abberation in der Abbildung mit einer solchen Anordnung leichter
kompensiert werden als bei einer refraktiven Anordnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/066706
A2 [0002, 0006, 0020]
- - US 2008/0013182 A1 [0008]
- - US 2008/0014685 A1 [0009]
- - US 2005/0177973 A1 [0010]