DE10225674A1

DE10225674A1 - Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung

Info

Publication number: DE10225674A1
Application number: DE10225674A
Authority: DE
Inventors: Klaus Brunwinkel
Original assignee: Microlas Lasersystem GmbH
Current assignee: Coherent GmbH
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: DE10225674B4

Abstract

Ein Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung, insbesondere Excimerlaserstrahlung, weist ein erstes Linsenarray LA1 auf und ein zweites Linsenarray LA2, welches aus zwei Subarrays LA2a, LA2b zusammengesetzt ist. Zur Vermeidung von Intensitätsspitzen an den Rändern der Laserstrahlung bilden die Linsen des ersten Subarrays LA2 die Strahlung anders ab als die Linsen des zweiten Subarrays LA2b.

Description

Die Erfindung betrifft ein Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung.
Von einem Laser emittierte Strahlung weist häufig eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung auf, was als "inhomogenes Strahlprofil" bezeichnet wird. So hat z. B. die von einem Excimerlaser emittierte Strahlung in Richtung einer ersten Achse ein sog. Gaußprofil, während die Intensitätsverteilung senkrecht dazu etwa trapezförmig ist.
Bei bestimmten Anwendungen des Lasers ist ein homogenes Strahlprofil wünschenswert, also eine Intensitätsverteilung der Laserstrahlung, die im Wesentlichen gleichförmig ist. Die Strahlungsintensität soll also an allen zum Einsatz kommenden Stellen des Strahles im Wesentlichen gleich sein. Hierzu sind sog. Homogenisierer im Stand der Technik bekannt. So beschreibt z. B. die DE 42 20 705 A1 die Grundform eines derartigen Homogenisierers, von der auch die vorliegende Erfindung ausgeht. Dort wird die Intensitätsverteilung eines Laserstrahls, also z. B. die von einem Excimerlaser emittierte Strahlung, in derjenigen Achse, in der sie ein Gaußprofil hat, dadurch homogenisiert (räumlich angeglichen), dass Linsen in Reihen senkrecht zur Strahlungsachse angeordnet werden. Diese Linsen sind jeweils so geformt, dass sie einzelne Teilstrahlen des Laserstrahls so einander überlagern, dass die abgebildete Laserstrahlung insgesamt weitgehend homogenisiert ist.
Eine Weiterbildung einer derartigen Homogenisiereinrichtung findet sich in der DE 196 32 460 C1. Dort werden mehrere Beleuchtungsfelder mit jeweils homogener Intensitätsverteilung erzeugt, wobei eine Linsenreihe mehrere unterschiedliche Gruppen von azentrischen Linsensegmenten von Zylinderlinsen aufweist. Siehe hierzu auch US-Patent 5,796,521.
Die DE 100 49 557 A1 beschreibt einen Homogenisierer der eingangs genannten Art, der mit Invertierungslinsen so ausgestaltet wird, dass ein Intensitätsprofil der Laserstrahlung auf einer Strahlseite eine höhere Intensität hat als in anderen Bereichen des Strahls.
Die vorstehend genannten Homogenisierer gemäß dem Stand der Technik werden nachfolgend als bekannt vorausgesetzt. Fig. 1 zeigt das Grundprinzip eines derartigen Homogenisierers. Laserstrahlung LR fällt in Fig. 1 von links auf ein erstes Linsenarray LA1. Ein "Array" ist eine strukturierte Reihung einer Mehrzahl von Linsen. Das erste Linsenarray LA1 besteht aus Sammellinsen 1, 2, 3. Der Einfachheit halber sind nur drei Linsen in Fig. 1 dargestellt. Die durch den Homogenisierer erreichbare Homogenität hängt von der Anzahl der Arraylinsen ab, typisch werden 5 bis 20 Linsen verwendet. In Strahlungsrichtung (LR) hinter dem ersten Linsenarray LA1 ist ein zweites Linsenarray LA2 aus Sammellinsen a, b, c so angeordnet, dass in Strahlungsrichtung Linsen aus dem ersten und dem zweiten Array miteinander fluchten. Der in Fig. 1 gezeigte Homogenisierer homogenisiert eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung der von links einfallenden Laserstrahlung in Richtung der Zeichnungsebene. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl die Linsen des ersten Linsenarrays LA1 als auch die Linsen des zweiten Linsenarrays LA2 jeweils plan-konvexe Sammellinsen, deren plane Flächen, wie dargestellt, einander zugekehrt sind. Die Orientierung der Linsen zueinander kann auch anders gestaltet werden. Auch können Zylinderlinsen eingesetzt werden. In Strahlungsrichtung hinter dem zweiten Linsenarray LA2 ist eine Kondensorlinse CL wie dargestellt angeordnet. Mit diesem Linsensystem LA1, LA2, CL wird die von links einfallende Laserstrahlung auf ein Beleuchtungsfeld F homogenisiert abgebildet.
Die von links einfallende Laserstrahlung wird durch die einzelnen Linsen 1, 2, 3, . . . des Linsenarrays LA1 in einzelne Teilbündel mit dem Durchmesser d aufgeteilt. Wie die in Fig. 1 eingezeichneten schematischen Strahlengänge zeigen, wird der im oberen Strahlenbündel äußere Randstrahl auf das Beleuchtungsfeld F im unteren dargestellten Punkt abgebildet. Der untere Randstrahl dieses Strahlenbündels wird auf den oberen Endpunkt im Beleuchtungsfeld F abgebildet, d. h. das auf die obere Sammellinse 1 auftreffende Teilbündel wird auf die gesamte Strecke D im Beleuchtungsfeld F verteilt. Analog werden die weiteren Teilbündel der Laserstrahlung LR auf dem Beleuchtungsfeld F ganzflächig überlagert abgebildet, so dass die Laserstrahlung LR insgesamt weitgehend homogenisiert wird. Die einzelnen Linsen der Arrays LA1, LA2 sind Zylinderlinsen, die in Fig. 1 im Schnitt senkrecht zu ihrer Längsachse dargestellt sind. Dies bedeutet, dass der Homogenisierer gemäß Fig. 1 eine Homogenisierung in Richtung einer Achse bewirkt, die in der Zeichnungsebene verläuft. Soll die Strahlung auch in einer dazu senkrechten Richtung homogenisiert werden, ist ein weiteres Linsensystem der dargestellten Art erforderlich, welches um 90° gedreht angeordnet ist.
Die Größe und Form der Abbildung auf dem Beleuchtungsfeld F (z. B. quadratisch, rechteckig oder auch als Linie) wird bestimmt durch die Breite d der beschriebenen Teilbündel, die Brennweite f2 der Sammellinsen des Arrays LA2, und die Brennweite f3 der Kondensorlinse CL. In Fig. 1 ist noch die Brennweite f1 der Linsen des Arrays LA1 eingezeichnet. Für den Durchmesser D der Abbildung auf dem Beleuchtungsfeld F gilt näherungsweise:

D = (f3/f2)d
Dieses Beleuchtungsfeld mit der Abmessung D wird üblicherweise beim Einsatz von Excimerlasern für z. B. Kristallisierungsprozesse mit einem Objektiv unter mehrfacher Verkleinerung auf das zu bearbeitende Substrat abgebildet, um Energiedichten von z. B. mehreren 100 mJ/cm² zu erreichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt folgendes Problem zugrunde: Wird ein Linsensystem gemäß Fig. 1 mit kohärenter Strahlung kleiner Divergenz beleuchtet, bewirken Beugungseffekte an den Linsenkanten eine Intensitätsverstärkung an den Rändern des Feldes, also am oberen und am unteren Endpunkt des Beleuchtungsfeldes F gemäß Fig. 1. Diese Intensitätsspitzen an den Rändern des Feldes sind in Fig. 2 dargestellt und werden als "dog ears" bezeichnet. Fig. 2 zeigt in der Kurve A die mit dem Linsensystem gemäß Fig. 1 erreichte Homogenisierung einschließlich der "dog ears" (Intensitätsspitzen) an den Rändern. Diese Beugungseffekte sind physikalisch unvermeidbar. Wird mit dem Homogenisierer eine Maske beleuchtet, um Strukturen abzubilden, ist der Effekt der "dog ears" unkritisch, weil in der Regel nur der zentrale homogene Bereich der Strahlung genutzt wird, um die abzubildenden Strukturen auszuleuchten.
Soll hingegen die gesamte Strahlung für einen Bearbeitungsprozess ausgenutzt werden, können die Intensitätsspitzen an den Rändern den Bearbeitungsprozess in unerwünschter Weise beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Linsensystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Homogenisierung der Laserstrahlung weiter verbessert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung vor mit einem ersten Linsenarray aus einer Mehrzahl von ersten optischen Linsen und zumindest einem zweiten Linsenarray aus einer Mehrzahl von zweiten Linsen, die so im Strahlengang der Laserstrahlung hinter den ersten Linsen angeordnet sind, dass die Laserstrahlung zumindest teilweise homogenisiert auf ein Beleuchtungsfeld abgebildet wird, wobei ein Teil der ersten und/oder zweiten Linsen so geformt und/oder positioniert ist, dass diese Linsen die Laserstrahlung mit einer Abmessung auf das Beleuchtungsfeld abbilden, die verschieden ist von der Abmessung, mit der die anderen ersten und/oder zweiten Linsen die Laserstrahlung auf das Beleuchtungsfeld abbilden.
Die Erfindung beruht also auf dem Grundgedanken, die oben beschriebene Anordnung gemäß dem Stand der Technik dahingehend abzuwandeln, dass ein Teil der Linsen der Linsenarrays, also z. B. die Hälfte der Linsen des zweiten Linsenarrays, so geformt wird und/oder so angeordnet wird, dass die Abbildung der Laserstrahlung durch diese Linsen auf dem Beleuchtungsfeld einen etwas kleineren Durchmesser hat als die Abbildung der übrigen Linsen. Dabei liegt der etwas kleinere Durchmesser voll im größeren Abbildungsdurchmesser, so dass die Summe der Intensitäten am Rande des beleuchteten Feldes etwas geringer wird als ohne die genannte Abänderung der Linsenanordnung. Dadurch verschwinden die sog. "dog ears". Zwar geht mit dem Verschwinden der "dog ears" etwas Flankensteilheit an den Rändern verloren, jedoch ist für eine Vielzahl von Anwendungen die Ausschaltung der Intensitätsspitzen an den Rändern wesentlich wichtiger als die Flankensteilheit.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Linsenarray zumindest zwei lineare, sich quer zur Strahlungsrichtung erstreckende Subarrays aufweist, deren Linsen jeweils Abstand zueinander haben, wobei die Linsen des einen Subarrays in Bezug auf die Linsen des anderen Subarrays in Strahlungsrichtung versetzt und quer zur Strahlungsrichtung auf Lücke angeordnet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zweite Linsenarray Linsen aufweist, die in einer Ebene senkrecht zur Strahlungsrichtung liegen und die abwechselnd so unterschiedlich geformt sind, dass ihre Brennweiten abwechselnd unterschiedliche Werte haben.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 schematisch ein Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung gemäß dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht;
Fig. 2 ein Linsensystem gemäß der Erfindung und
Fig. 3 Intensitätsprofile einmal gemäß einem Linsensystem nach Fig. 1 und zum anderen mit einem erfindungsgemäßen Linsensystem gemäß Fig. 2.
Wie oben ausgeführt ist, ist der Durchmesser D der Abbildung auf dem Beleuchtungsfeld F bei einer Linsenanordnung gemäß Fig. 1 eine Funktion der Brennweite f2 der Linsen a, b, c des zweiten Linsenarrays LA2. Deshalb ist es möglich, durch Abänderung des Linsenarrays LA2 auch den Durchmesser D der Abbildung auf dem Beleuchtungsfeld F zu beeinflussen.
Fig. 2 zeigt eine Abänderung des zweiten Linsenarrays LA2, wobei nun die einzelnen Linsen a, b, c, d, e, f, g dieses Arrays in zwei Subarrays LA2a und LA2b in zwei Ebenen E1, E₂ aufgeteilt sind, derart, dass die Linsen von oben nach unten abwechselnd um einen Abstand "x" in Strahlungsrichtung zueinander versetzt sind. Das in Strahlungsrichtung vorne angeordnete erste Subarray LA2a besteht aus den an den Rändern abgeflachten Zylinderlinsen a, c, e und g. Das in Strahlungsrichtung LR dahinter angeordnete zweite Subarray LA2b besteht aus den ebenfalls an den Rändern abgeflachten Zylinderlinsen b, d und f. Die Abmessung "y" einer Lücke zwischen den Linsen des ersten Subarrays LA2a entspricht der Abmessung einer der Zylinderlinsen. Die einzelnen Linsen b, d, f des zweiten Subarrays LA2b fluchten in Strahlrichtung genau auf Lücke in Bezug auf die Linsen des ersten Subarrays LA2a.
Das erste Linsenarray LA1 entspricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Beim zweiten Linsenarray LA2 ist das Subarray LA2b in Strahlungsrichtung verschoben. Die Brennweiten der einzelnen Linsen der beiden Subarrays LA2a und LA2b sind gleich. Aufgrund der Verschiebung um die Strecke x erfolgt aber die Abbildung auf dem Beleuchtungsfeld F (analog zu Fig. 1; in Fig. 2 nicht gezeigt) mit unterschiedlichen Abmessungen D, so dass die Intensitätsspitzen (dog ears) am Rand verschwinden. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 zeigt die Kurve A das Intensitätsprofil mit einer Anordnung gemäß Fig. 1, also nach dem Stand der Technik. Die Kurve B zeigt das mit einer Anordnung gemäß Fig. 2 erreichbare Intensitätsprofil ohne Intensitätsspitzen an den Rändern.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des zweiten Linsenarrays LA2 sind die einzelnen Linsen b, d, f etc. des zweiten Subarrays LA2b bevorzugt so gelagert, dass ihre Positionen in Richtung der Y-Achse und/oder in Richtung der Z-Achse und/oder durch Drehung in Richtung des Pfeiles R positionierbar sind. Die mechanische Aufhängung der Linsen ist in der Figur im einzelnen nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu erhalten. Es ist auch möglich, wahlweise die genannten Positionen und Anordnungen der Linsen a, c, e, g etc. des ersten Subarrays LA2a relativ zu den Linsen des zweiten Subarrays einstellbar zu gestalten. Sehr vorteilhaft bei diesem Ausführungsbeispiel ist, dass durch Verdrehen der einzelnen Linsen der geteilten Array-Segmente relativ zueinander die genannten "dog ears" zusätzlich unterdrückt werden und auf diese Weise auch eine Verrundung des Profils erreicht wird.
Ein Verdrehen des gesamten Rahmens, in dem die Linsen des zweiten Subarrays LA2b aufgehängt sind, verursacht ein Verschieben der jeweils abgebildeten Felder zueinander, wodurch die Ränder der Intensitätsverteilung quasi beliebig einstellbar abgerundet werden können und die "dog ears" weiter unterdrückt werden.
Es ist auch möglich, die einzelnen Zylinderlinsen b, d, f etc. des zweiten Subarrays LA2b um die Achse C drehbar anzuordnen oder dies auch für die Linsen des ersten Subarrays LA2a vorzusehen (in Fig. 2 schematisch nur für die Linse g) dargestellt).
In Abwandlung des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispieles können die "dog ears" auch dadurch vermieden werden, dass die einzelnen Linsen des zweiten Linsenarrays LA2 nicht abwechselnd zueinander in Strahlungsrichtung versetzt in zwei Ebenen E1 bzw. E2 angeordnet werden, sondern in einer einzigen Ebene, also z. B. der Ebene E1 verbleiben. Bei dieser Variante der Erfindung werden die dem zweiten Subarray angehörenden Linsen b, d, f, etc. mit anderen Krümmungsradien ausgeformt als die Linse a, c, e, g des ersten Subarrays LA2a. Aufgrund der unterschiedlichen Krümmungsradien erfolgt die Abbildung mit unterschiedlichen Brennweiten f2, so dass ebenfalls eine Intensitätsverteilung der homogenisierten Laserstrahlung entsprechend der Kurve B nach Fig. 3 entsteht.

Claims

1. Linsensystem zum Homogenisieren von Laserstrahlung mit einem ersten Linsenarray (LA1) aus einer Mehrzahl von ersten Linsen (1, 2, 3, . . .) und zumindest einem zweiten Linsenarray (LA2) aus einer Mehrzahl von zweiten Linsen (a, b, c, . . .), die so im Strahlengang der Laserstrahlung hinter den ersten Linsen (1, 2, 3, . . .) angeordnet sind, dass die Laserstrahlung zumindest teilweise homogenisiert auf ein Beleuchtungsfeld (F) abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (b, d, f) der ersten und/oder zweiten Linsen (1, 2, 3, . . .; a, b, c, . . .) so geformt und/oder positioniert ist, dass diese Linsen die Laserstrahlung mit einer Abmessung auf das Beleuchtungsfeld (F) abbilden, die verschieden ist von der Abmessung, mit der die anderen (1, 2, 3, a, c, d, e, g) ersten und/oder zweiten Linsen die Laserstrahlung auf das Beleuchtungsfeld (F) abbilden.

2. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Linsenarray (LA2) zumindest zwei lineare, sich quer zur Strahlungsrichtung erstreckende Subarrays (LA2a, LA2b) aufweist, deren Linsen (a, b, c, d, e, f, g) jeweils Abstand zueinander haben, wobei die Linsen (b, d, f) des einen Subarrays (LA2b) in Bezug auf die Linsen (a, c, e, g) des anderen Subarrays (LA2a) in Strahlungsrichtung (LR) versetzt und quer zur Strahlungsrichtung (LR) auf Lücke angeordnet sind.

3. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Linsenarray (LA2) Linsen aufweist, die in einer Ebene senkrecht zur Strahlungsrichtung (LR) liegen und die abwechselnd so unterschiedlich geformt sind, dass ihre Brennweiten abwechselnd unterschiedliche Werte haben.

4. Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen des einen Teils der ersten und/oder zweiten Linsen relativ zu den Linsen des anderen Teils jeweils verdrehbar sind.