DE19630743C2 - Vorrichtung zum Abbilden von Laserstrahlung auf ein Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abbilden von Laser­ strahlung auf ein Substrat mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE 41 43 066 A1 bekannt. Dort leuchtet ein Linsenarray über Mikro­ linsen unterschiedliche Bereiche einer Maske aus.

In den letzten Jahren haben in der industriellen Fertigungs­ technik Excimerlaser zunehmend als Instrumente der Materialbe­ arbeitung und -formung Bedeutung gewonnen. So zum Beispiel bei der Herstellung von Multichipmodulen und auch von Tinten­ strahldruckerpatronen. Auch für Markierungsprozesse werden zu­ nehmend Excimerlaser in der Fertigung eingesetzt. Eine typische Anwendung von Excimerlasern mit Vorrichtungen der eingangs ge­ nannten Art ist das Abtragen von Material von einem Substrat (Ablation).

Wesentlich für den Erfolg beim Einsatz des Excimerlasers in derartigen Bearbeitungsprozessen ist neben dem Excimerlaser das optische Übertragungssystem, also die Vorrichtung zum Abbilden des Laserstrahls auf das zu bearbeitende Substrat. Dieses Über­ tragungssystem besteht im wesentlichen aus einer Beleuchtungs­ optik und einer Abbildungsoptik. Da in der Regel die Laser­ strahlung nur in eng begrenzten, scharf definierten Bereichen auf das Substrat auftreffen soll, wird regelmäßig eine Maske verwendet, um die Laserstrahlung auf die gewünschten Bereiche zu begrenzen. Beim Stand der Technik wird also eine Maske in den Strahlengang gestellt. Die Maske weist einen entsprechend dem gewünschten Beleuchtungsfeld auf dem Substrat ausgeformten durchlässigen Bereich auf, durch den die Strahlung durchtritt.

Die anderen Strahlungsanteile werden durch die Maske ausgeblen­ det, gehen beim Stand der Technik also in aller Regel verloren.

Der strahlungsdurchlässige Bereich der Maske kann unterschied­ lichste geometrische Formen aufweisen, je nach der Art der Be­ arbeitung des Substrates. Der strahlungsdurchlässige Bereich der Maske kann auch aus mehreren, nicht miteinander verbundenen Öffnungen unterschiedlichster Struktur bestehen. Da bei einer Vielzahl von Anwendungen der Ablationsprozess mit einer Struk­ turierung in der Tiefe des Substrates verbunden ist, müssen die optischen Systeme auch eine Gestaltung der Wandwinkelgeometrie und der Tiefenstruktur im Substrat ermöglichen. Die optische Auflösung und die damit zusammenhängende Tiefenschärfe sind durch die numerische Apertur des optischen Abbildungssystems bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Aufbringen von Laserstrahlung auf ein zu bearbeitendes Substrat bereitzustellen, mit der mit einfachen Mitteln kleinste und präzise Beleuchtungsfelder auf dem Substrat mit sehr hohen Energiedichten und guter Homogenisierung erreichbar sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet.

Nach der Erfindung wird also die Maske im wesentlichen nur in denjenigen Bereichen ausgeleuchtet, in denen sich ihre strah­ lungsdurchlässigen Bereiche befinden, einschließlich der Ränder dieser Bereiche. Dadurch wird die Ausnutzung der vom Excimer­ laser gelieferten Strahlung wesentlich verbessert. Die Laser­ strahlung wird dabei mit gleichmäßiger Energiedichteverteilung auf die strahlungsdurchlässigen Bereiche der Maske gelenkt.

Die Erfindung kann zusammen mit als solche bekannten anamor­ photischen Abbildungsoptiken und Homogenisieroptiken eingesetzt werden, die hier nicht näher erläutert werden.

Die optische Einrichtung, mit der die Laserstrahlung im wesent­ lichen nur auf die strahlungsdurchlässigen Bereiche der Maske gelenkt wird, bewirkt eine Beugung der Strahlung, d. h. durch Beugungswirkung wird die Strahlung auf die strahlungsdurchläs­ sigen Bereiche der Maske gelenkt, wobei zwischen der beugenden optischen Einrichtung und der Maske gegebenenfalls auch noch optische Elemente wie eine Sammellinse und/oder eine Feldlinse angeordnet sein können. Die optische Einrichtung, mit der die Laserstrahlung im wesentlichen nur auf die strahlungsdurchläs­ sigen Bereiche der Maske gelenkt wird, kann auch brechend wir­ ken.

Als beugende bzw. brechende Einrichtungen sind insbesondere Fresnelsche Zonenplatten, Kinoformlinsen oder auch Hologramm­ linsen bekannt. Mit diesen optischen Einrichtungen wird ein Beleuchtungsmuster auf der Maske (gegebenenfalls mit zusätzli­ chen optischen Elementen) erzeugt. Die beugenden bzw. brechen­ den optischen Elemente leisten ähnlich einem Hologramm die Um­ formung eines Laserstrahls in ein beliebiges gewünschtes Be­ leuchtungsmuster, das im wesentlichen auf die strahlungsdurch­ lässigen Bereiche der Maske beschränkt ist. Sollte bei bestimm­ ten komplizierten geometrischen Strukturen der strahlungsdurch­ lässigen Bereiche der Maske die Konstruktion der beugenden bzw. brechenden optischen Elemente zu schwierig sein, kann auch in Form eines Kompromisses die Laserstrahlung nur teilweise so um­ gesetzt werden, daß im wesentlichen nur die strahlungsdurchläs­ sigen Bereiche der Maske ausgeleuchtet werden. Auch dann ergibt sich eine wesentliche Steigerung der Energiedichte im Vergleich zu vollständig ausgeleuchteten Masken. Die strahlungsdurchläs­ sigen Bereiche von Masken der hier in Rede stehenden Art sind in aller Regel über die Maske verteilt, d. h. es werden mehrere durchlässige Bereiche in der Maske vorgesehen, um gleichzeitig an mehreren Stellen des Substrates Beleuchtungsfelder zur Mate­ rialbearbeitung zu erzeugen. Dies bedeutet beim Stand der Tech­ nik, daß durch die nicht strahlungsdurchlässigen Bereiche der Maske zwischen den strahlungsdurchlässigen Bereiche wesentliche Anteile der Strahlung ungenutzt ausgeblendet werden.

Ein einfaches Beispiel für ein beugend wirkendes optisches Ele­ ment zur selektiven Ausleuchtung einer Maske ist ein einfaches Damanngitter. Es sind aber auch kompliziertere, computererzeug­ te Beugungsstrukturen möglich.

Ein Excimer-Laserstrahl hat am Ausgang des Excimerlasers typi­ scherweise Abmessungen von etwa 3 × 2 cm. Damit die Energie­ dichtebelastung der Maske unterhalb 200 mJ/cm² bleibt, werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Masken mit einer Größe von ca. 6 cm² (bei 600 mJ Laserpulsenergie) verwen­ det.

Für die Abbildungsoptik werden zur Erzeugung eines Beleuch­ tungsfeldes mit kleiner Beleuchtungsapertur (NA) von typischer­ weise 10 mrad oder weniger relativ lange Brennweiten verwendet, bevorzugt Brennweiten größer als 1500 mm.

Es ist also vorgesehen, daß die diffraktive (beugende) optische Einrichtung für verschiedene Beleuchtungsfeldsegmente (also be­ leuchtete Segmente auf dem Substrat) jeweils eine Mehrzahl von beugenden Elementen aufweist, die das zugeordnete Beleuchtungs­ feld erzeugen, d. h. die von diesen beugenden Elementen ausge­ hende Strahlung gelangt nach Passieren der Maske in das zuge­ ordnete Beleuchtungsfeldsegment.

Dabei sind die jeweils einem Beleuchtungsfeldsegment zugeordne­ ten diffaktiven Elemente möglichst weit auseinanderliegend und mit regelmäßiger Struktur (Abständen) über die Fläche der opti­ schen Einrichtung verteilt, um zu erreichen, daß unter­ schiedliche Teilbereiche des Excimerlaserstrahls zur Erzeugung eines bestimmten Beleuchtungsfeldsegmentes beitragen. Hierdurch wird eine Homogenisierung der Energiedichteverteilung in jedem Beleuchtungsfeldsegment erreicht. Bevorzugt werden dabei dif­ fraktive Elemente für verschiedene Beleuchtungsfeldsegmente wie­ derkehrend benachbart angeordnet, damit das vollständige rekon­ struierte Beleuchtungsfeld insgesamt eine homogene Energiedich­ teverteilung aufweist. Typischerweise müssen mindestens drei diffraktive Elemente für ein Beleuchtungsfeldsegment über den Strahlquerschnitt verteilt angeordnet werden, um die vorstehend genannten gewünschten Effekte zu erreichen. Je mehr unterschied­ liche und getrennt mit Abstand voneinander angeordnete diffrak­ tive Elemente einem bestimmten Beleuchtungsfeldsegment zugeord­ net werden, umso besser im Sinne der angesprochenen Effekte, jedoch steigt der technische Aufwand mit der Anzahl diffraktiver Elemente erheblich.

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

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Abbilden eines Laserstrahls auf ein Substrat mit den Strahlengängen;

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf eine optische Einrichtung mit beugenden optischen Elementen;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Maske;

Fig. 4 schematisch eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel einer optischen Einrichtung mit beugenden optischen Elementen und

Fig. 5 schematisch ein Beleuchtungsfeld, das durch die diffraktive optische Einrichtung gemäß Fig. 4 erzeugt wird.

In die Vorrichtung gemäß Fig. 1 tritt Laserstrahlung 10 von links kommend ein. Die Strahlrichtung ist also durch den Pfeil R angedeutet. Es sollen mehrere Beleuchtungsfelder auf einem Sub­ strat S erzeugt werden, wobei die Beleuchtungsfelder Abmessungen im µm-Bereich haben. Auf dem Substrat sollen also gleichzeitig mehrere Bearbeitungen an verschiedenen Stellen vorgenommen wer­ den.

Vor der Maske 12 ist eine Feldlinse 14 angeordnet.

Die Maske 12 ist in Fig. 3 in Draufsicht dargestellt. Sie weist beim Ausführungsbeispiel acht Löcher 24a, 24b... 24h auf. Diese Löcher bilden den strahlungsdurchlässigen Bereich der Maske 12. Dieser Bereich wird durch eine als solche bekannte Abbildungs­ optik 16 stark verkleinert auf das Substrat abgebildet.

In Strahlrichtung vor der Maske 12 und der ihr zugeordneten Feldlinse 14 ist eine optische Einrichtung 18 angeordnet, die die Laserstrahlung im wesentlichen nur auf den strahlungsdurch­ lässigen Bereich (Löcher 24a, 24b, ..., 24h) lenkt, und zwar durch Beugungswirkung. Hierzu weist die optische Einrichtung 18 eine den Löchern 24 entsprechende Anzahl von Fresnelschen Zonenplat­ ten 22a, 22b, 22c, ..., 22h auf, die in dem plattenförmigen opti­ schen Element 18 ausgebildet sind. Eine Fresnelsche Zonenplatte ist ein wellenoptisch abbildendes Bauelement, bei dem das Licht an einem System aus konzentrisch angeordneten Kreisringen (den sogenannten Fresnelschen Zonen) gebeugt wird. In Fig. 2 sind diese Fresnelschen Zonen bei einem Teil der Fresnelschen Zonen­ platten 22a... schematisch angedeutet.

Hinter der optischen Einrichtung 18 mit den beugenden Strukturen kann, wie in Fig. 1 dargestellt ist, eine Sammellinse 20 ange­ ordnet sein. Es ist in Abwandlung des dargestellten Ausführungs­ beispieles auch möglich, die Sammelwirkung dieser Linse bereits in die beugenden (diffraktiven) Strukturen der optischen Ein­ richtung 18 zu integrieren.

Die diffraktive optische Einrichtung 18 stellt nicht nur das gewünschte Strahlungsmuster auf der Maske 12 her, sondern be­ wirkt auch eine Homogenisierung der Energiedichte in den einzel­ nen Beleuchtungsfeldern auf dem Substrat S (beim dargestellten Ausführungsbeispiel acht voneinander getrennte Beleuchtungsfel­ der, entsprechend den Fresnelschen Zonenplatten 22 und den Lö­ chern 24 in der Maske).

Mit der dargestellten Vorrichtung werden auch gleiche Intensi­ täten in den Beleuchtungsfeldern auf dem Substrat S erreicht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel steht die Substratober­ fläche senkrecht auf der optischen Achse A der Abbildungsoptik.

Für die einzelnen in der optischen Einrichtung 18 ausgebildeten beugenden Strukturen werden möglichst große Sub-Aperturen ange­ strebt. Die numerische Apertur der optischen Einrichtung soll nicht größer sein als 0,01 und die Beleuchtungsapertur in der Beleuchtungsebene sollte etwa zwischen 0,01 und 0,02 liegen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen schematisch ein weiteres Ausführungs­ beispiel für eine optische Einrichtung 18 (Fig. 4) und ein von dieser optischen Einrichtung auf einem Substrat S erzeugtes Be­ leuchtungsfeld (Fig. 5). Bei diesem Ausführungsbeispiel soll das Beleuchtungsfeld die Form eines quadratischen Ringes aufweisen (vgl. Fig. 5). Die der diffraktiven optischen Einrichtung 18 gemäß Fig. 4 und dem hiervon erzeugten Beleuchtungsfeld gemäß Fig. 5 zugeordnete Maske ist nicht in den Figuren gesondert dar­ gestellt. Die Maske hat entsprechend dem Beleuchtungsfeld nach Fig. 5 einen strahlungsdurchlässigen Bereich, der ebenfalls die Form eines quadratischen Ringes hat.

In Fig. 4 erzeugen die diffraktiven Elemente 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f, 26g, 26h ein bestimmtes Beleuchtungsfeldsegment, zum Beispiel den linken Balken 34 des Beleuchtungsfeldes gemäß Fig. 5. Die diffraktiven Elemente 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 28f, 28g, 28h erzeugen beispielsweise das Beleuchtungsfeldsegment 36 gemäß Fig. 5, also den rechten Balken des quadratischen Beleuch­ tungsringes. Analog erzeugen die diffraktiven Elemente 30a bis 30h das Beleuchtungsfeldsegment 40 in Form des oberen Beleuch­ tungsbalkens des quadratischen Beleuchtungsringes gemäß Fig. 5 und die diffraktiven Elemente 32a bis 32h erzeugen das Beleuch­ tungsfeldsegment 38, also den unteren Balken des quadratischen Beleuchtungsringes nach Fig. 5.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind also für jedes erzeugte (re­ konstruierte) Beleuchtungsfeldsegment 34, 36, 38, 40 jeweils acht diffraktive Elemente vorgesehen, d. h. die von diesen acht diffraktiven Elementen gebeugte Strahlung gelangt in das zuge­ ordnete Beleuchtungsfeldsegment. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind die einem bestimmten Beleuchtungsfeldsegment zugeordneten diffraktiven Elemente (also zum Beispiel die dem Beleuchtungs­ feldelement 34 zugeordneten diffraktiven Elemente 26a bis 26h) gleichförmig (homogen) mit Abstand über die Fläche der optischen Einrichtung 18 verteilt angeordnet. Hierdurch wird eine Homoge­ nisierung der Energiedichteverteilung sowohl in jedem einzelnen Beleuchtungsfeldsegment als auch über das gesamte Beleuchtungs­ feld erreicht.

Die diffraktiven Elemente in der optischen Einrichtung 18 erzeu­ gen also sowohl das auf die durchlässigen Bereiche der Maske erforderliche Strahlungsmuster als auch eine homogene Intensi­ tätsverteilung in den Beleuchtungsfeldern auf dem Substrat S. Auch haben die einzelnen Beleuchtungsfeldsegmente auf dem Sub­ strat S untereinander gleiche Intensität.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, mit einem Excimer­ laserstrahl von ca. 0,5 bis 1 mrad Divergenz die diffraktive optische Einrichtung und die zugehörige Maske effektiv auszu­ leuchten. Im Unterschied zu anderen diffraktiven Beleuchtungs­ techniken ist daher kein sogenannter instabiler Resonator für den Excimerlaser erforderlich. Vielmehr lassen sich schon gute Ergebnisse mit einer Modifikation des üblichen Plan/Plan-Resona­ tors erhalten, die bei hoher Effizienz eine sehr geringe Diver­ genz in Richtung der großen Strahlachse aufweist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Abbilden von Laserstrahlung (10) auf ein Substrat (S) mit einer Maske (12), die vom Laserstrahl beleuch­ tet und deren strahlungsdurchlässiger Bereich (24a, 24b... 24h) verkleinert auf das Substrat (S) abgebildet wird, und mit einer optischen Einrichtung (18), die in Strahlrichtung (R) vor der Maske (12) angeordnet ist und die Laserstrahlung im wesent­ lichen auf den strahlungsdurchlässigen Bereich (24a, 24b... 24h) der Maske (12) lenkt, dadurch gekennzeichnet, daß
die optische Einrichtung (18) eine Mehrzahl von beugenden bzw. brechenden Elementen (26a-26h; 28a-28h) aufweist, die ein Beleuchtungsfeldsegment (34, 36) erzeugen,
verschiedenen Beleuchtungsfeldsegmenten (34, 36) jeweils eine Mehrzahl von beugenden Elementen (26a-26h; 28a-28h) zuge­ ordnet ist, die das zugeordnete Beleuchtungsfeldsegment erzeu­ gen, und
die jeweils einem Beleuchtungsfeldsegment (34, 36) zugeordneten beugenden Elemente (26a-26h bzw. 28a-28h) über die Fläche der optischen Einrichtung (18) verteilt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Rekonstruktion einzelner Teilfelder der Abbildung aus­ geleuchteten Bereiche in der Maske mehrfach vorkommen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (18) einen oder mehrere Teilbereiche aufweist, der bzw. die zur Rekonstruktion eines Teilfeldes der Abbildung beitragen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsdurchlässige Bereich (24a, 24b... 24h) der Maske (12) beugungsbegrenzt auf das Substrat (S) abgebildet wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiedichtebelastung der Maske (12) unterhalb 200 mJ/cm² liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von beugenden bzw. brechenden Elementen (26a- 26h; 28a-28h) der optischen Einrichtung (18) jeweils dasselbe Beleuchtungsfeldsegment (34, 36) erzeugen.