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Die
Erfindung betrifft einen Wabenkondensor zum Homogenisieren der Intensität
eines Lichtstrahls auf einer Oberfläche, mit einem im Strahlengang
des Lichtstrahls angeordneten ersten Mikrolinsenarray, dessen Mikrolinsen
einen ersten Rasterabstand aufweisen, und mit einem im Strahlengang
in vorgegebenem Abstand dahinter angeordneten zweiten Mikrolinsenarray,
dessen Mikrolinsen einen zweiten Rasterabstand aufweisen, wobei
die Mikrolinsen der Mikrolinsenarrays mit ihren Scheiteln einander
zu weisen und der zweite Mikrolinsenabstand kleiner als der erste
Mikrolinsenabstand ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Aufschmelzen von
Schichten auf ein Substrat mittels eines Laserstrahls.
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Ein
Wabenkondensor der eingangs genannten Art ist aus der
US 1 762 932 A bekannt.
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Aus
der eingangs genannten
US 1 762
932 ist ein Farbfilmprojektor bekannt. Der Projektor weist im
Strahlengang einer Glühfadenlampe einen Kondensor auf.
Der Kondensor besteht aus einer Linsengruppe, in der sich ein erstes
Linsenelement befindet, dessen von der Lampe abgewandte Oberfläche
als ein Raster kleiner, plan-konvexer Linsen ausgebildet ist. Dem
ersten Linsenelement steht im Strahlengang ein zweites Linsenelement
gegenüber, dessen dem ersten Linsenelement zu weisende
Oberfläche ebenfalls als ein Raster kleiner, plan-konvexer
Linsen ausgebildet ist. Der Abstand der Linsenscheitel ist beim ersten
Linsenelement größer als beim zweiten Linsenelement.
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Aus
der
DE 968 430 A ist
es bekannt, einen Wabenkondensor in einem Filmprojektionsapparat zu
verwenden, um eine möglichst homogene Ausleuchtung der
Leinwand zu erreichen. Die Lichtquelle ist dabei eine Bogenlampe
mit in etwa kreisförmigem Krater an den Kohlen. Der Lichtstrahl
mit kreisförmigem Querschnitt wird über zwei Mikrolinsenarrays von
ebenfalls kreisförmiger Gestalt geleitet. Die Mikrolinsenarrays
bestehen aus einer Vielzahl von bikonvexen Elementarlinsen, die
in einem Raster praktisch lückenlos nebeneinander angeordnet
sind.
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Aus
der
US 5,392,140 A ist
ein dreidimensional abbildendes Sichtgerät bekannt. Das
Sichtgerät weist hintereinander zwei Rasteranordnungen
mit wabenartig angeordneten Zylinderlinsen auf. Die Zylinderlinsen
der in Strahlrichtung hinteren Rasteranordnung haben ein Rastermaß,
das gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Rastermaßes
der vorderen Rasteranordnung ist, so dass jede Zylinderlinse der
hinteren Rasteranordnung einer Gruppe von Zylinderlinsen der vorderen
Rasteranordnung zugeordnet ist.
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Darüber
hinaus ist es auch bekannt, Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen,
zum Bearbeiten von Werkstücken oder für andere
technologische Prozesse einzusetzen.
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Aus
der
DE 103 44 010
A1 ist ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
mit einem Wabenkondensor bekannt. Bei dem Wabenkondensor sind in
Strahlrichtung hintereinander zwei Rasteranordnungen mit einer Mehrzahl
von wabenartig angeordneten Zylinderlinsen vorgesehen. Dabei bildet
jede Zylinderlinse der in Strahlrichtung vorderen Rasteranordnung
die Lichtquelle auf eine jeweilig zugeordnete Zylinderlinse der
hinteren Rasteranordnung ab. Zwischen dem Wabenkondensor und einer
Projektionsfläche befinden sich noch eine Feldlinse sowie
ein Abbildungsobjektiv.
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Bei
diesem Wabenkondensor ist nachteilig, dass durch die zusätzliche
Linse zwischen Wabenkondensor und beleuchteter Oberfläche
ein wesentlich größerer Bauraum benötigt
wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch Streustrahlung und
Reflexe Wärme in die Halter und Fassungen der optischen
Komponenten eingebracht wird. Dadurch kann es zu thermisch verursachten
Drifterscheinungen kommen, und die gewünschten Eigenschaften am
Ort der homogenen Ausleuchtung ändern bzw. verschlechtern
sich. Schließlich wirkt sich jedes zusätzliche
optische Element direkt auf die transmittierte Leistung aus, so
dass die zusätzliche Linse zu Verlusten führt.
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In
einem anderen Anwendungsgebiet verwendet man Laserstrahlen für
das Aufschmelzen von Schichten auf ein Substrat, beispielsweise
zum Aufschmelzen von Silizium-Schichten bei der Herstellung von
elektronischen Displays. Der Laserstrahl, der als sehr schmaler
Linienstrahl ausgebildet ist, fällt dabei auf die aufzuschmelzende
Schicht. Die Schicht und der Laserstrahl werden relativ zueinander
quer zu der vom Laserstrahl gebildeten Linie verschoben, so dass
der Laserstrahl flächig über das Substrat, das
so genannte „Panel”, geführt wird. Ein
Panel hat typischerweise eine Größe von 900 × 700
mm und der auftreffende Laserstrahl eine Länge von 750
mm. Man kann dabei den Laserstrahl auch pulsen. Durch das Aufschmelzen
der Silizium-Schicht wird die zuvor ungeordnete Kristallschicht
geordnet und damit die Elektronenmobilität, d. h. die elektrische
Leitfähigkeit, erhöht.
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In
einer von der Anmelderin entwickelten Anlage zum Aufschmelzen derartiger
Schichten wird ein Laserstrahl zunächst in eine Form gebracht,
in der er einen Querschnitt von etwa Briefmarkengröße
hat. Dieser Laserstrahl wird dann durch mehrfaches Umlenken und
Umformen an entsprechenden Spiegeln so geformt, dass er schließlich
die gewünschte sehr schmale Linienform aufweist.
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Hierzu
benötigt man langgestreckt-rechteckförmige Spiegel,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung von besonderem Interesse
sind. Unter „langgestreckt-rechteckförmig” ist
dabei ein Seitenverhältnis von mindestens 5:1 zu verstehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wabenkondensor sowie
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden,
dass eine homogene Intensitätsverteilung des Lichtstrahls
und insbesondere ein scharfer Kantenabfall erreicht wird.
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Bei
einem Wabenkondensor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
zum einen dadurch gelöst, dass der Lichtstrahl eine langgestreckt-rechteckige
Querschnittsform aufweist, dass die Mikrolinsen als Zylinderlinsen
ausgebildet sind, und dass der Abstand g nach der Beziehung g = f12b eingestellt
ist, wobei f12b die Brennweite des zweiten Mikrolinsenarrays
ist.
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Bei
einem Wabenkondensor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
zum anderen dadurch gelöst, dass der Lichtstrahl eine langgestreckt-rechteckige
Querschnittsform aufweist, dass die Mikrolinsen als Zylinderlinsen
ausgebildet sind, und dass der Abstand nach der Beziehung g* = 1/(1/b – 1/f32b) eingestellt
ist, wobei der Abstand der Oberfläche von den Scheiteln
der Mikrolinsen des zweiten Mikrolinsenarrays und f32b die
Brennweite des zweiten Mikrolinsenarrays ist.
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Bei
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass im Strahlengang des Laserstrahls ein Wabenkondensor der vorstehend
genannten Art angeordnet ist.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen
gelöst. Der erfindungsgemäße Wabenkondensor
ist thermisch stabiler, da weniger optische Elemente vorhanden sind. Des
Weiteren kann viel Bauraum eingespart werden. Eine kompakte Bauweise
ist möglich.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Raum zwischen
dem zweiten Mikrolinsenarray und der Oberfläche frei von
optisch wirksamen Einbauten.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass ein Konzept ohne zusätzliche
Kondensorlinse entsteht, bei dem die oben genannten Nachteile (Bauraum, thermische
Drifterscheinungen, optische Verluste) in besonderer Weise vermieden
werden.
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Weiterhin
ist bevorzugt, wenn die Zylinderlinsen über die Breite
der Mikrolinsenarrays durchgehen.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass eine einfache Bauform entsteht,
bei der die Mikrolinsenarrays als Rippelplatte ausgebildet sind.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der 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 in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines Wabenkondensors;
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2 eine
Ansicht, ähnlich 1, jedoch
für ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine
Frontansicht eines Mikrolinsenarrays, wie es bei dem Wabenkondensor
von 2 verwendet wird;
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4 einen
Schnitt in der Ebene IV-IV von 3; und
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5 eine
Variante des Wabenkondensors von 2.
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Bei
Beleuchtungssystemen und/oder zur Homogenisierung eines Laserstrahls
werden in der Regel Wabenkondensoren mit zwei Mikrolinsenarrays für
eine zweistufige Homogenisierung verwendet. Dabei wird in einem
Arbeitsabstand ein homogenes Feld oder im Falle eines im Querschnitt
linienförmigen Lichtstrahls eine homogene Linie mit scharfen Kanten
erhalten. Man spricht dann von einem abbildenden Homogenisierer.
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In 1 ist
ein Wabenkondensor 10 dargestellt. Der Wabenkondensor 10 weist
axial hintereinander zwei im Abstand voneinander angeordnete Mikrolinsenarrays 12a und 12b sowie
eine so genannte Fourier-Linse 14 auf. Der Wabenkondensor 10 wird in
der Darstellung von 1 von links mit einem aus einer
Lichtquelle 16 einfallenden Lichtstrahl 17 beleuchtet.
Der Lichtstrahl 17 wird in dem Wabenkondensor 10 homogenisiert
und trifft dann auf eine Oberfläche 22. Die Oberfläche 22 kann
eine Ebene im Raum, eine Spiegeloberfläche oder eine Oberfläche
eines zu bearbeitenden Werkstücks sein.
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Die
Mikrolinsenarrays 12a und 12b bestehen aus einem
zweidimensionalen Raster von Mikrolinsen 20 mit positiver
Brechkraft, die dicht nebeneinander angeordnet sind. Der Scheitel
der Mikrolinsen 20 ist mit 24 bezeichnet. Die
Mikrolinsen 20 sind in beiden Mikrolinsenarrays 12a und 12b baugleich.
Jeder Mikrolinse 20 des linken Mikrolinsenarrays 12a steht eine
bestimmte Mikrolinse 20 des rechten Mikrolinsenarrays 12b gegenüber.
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Der
Abstand g zwischen den Scheiteln 24 der einander gegenüber
stehenden Mikrolinsen 20 ist gleich der Brennweite des
rechten Mikrolinsenarrays g = f12b. Der
Abstand b zwischen der Fourier-Linse 14 und der Oberfläche 18 ist
gleich der Brennweite der Fourier-Linse b = f14.
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Die
von den Mikrolinsen 20 des linken Mikrolinsenarrays 12a ausgehenden
Strahlenbüschel 26 werden in dem rechten Mikrolinsenarray 12b kollimiert,
durchlaufen die Fourier-Linse 14 und bilden auf der Oberfläche 18 ein
Bild 28 mit scharfen Kanten 29 ab.
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Würde
man nun zur Vermeidung der weiter oben abgehandelten Nachteile die
Fourier-Linse 14 entfernen, dann entstünde ein
Bild 28, das je nach Auslegung des Wabenkondensors 10 homogen
wäre, aber eine unscharfe bzw. in der Intensität
flach abfallende Kante 29 aufwiese. Die Breite der unscharfen
Kante hinge im Wesentlichen von der Breite des Eingangsstrahls am
Eingang des Wabenkondensors ab. Die abbildende Eigenschaft des Wabenkondensors 10 ginge
verloren.
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Um
dies zu vermeiden, ist erfindungsgemäß ein Wabenkondensor 30 gemäß 2 vorgesehen. Der
Wabenkondensor 30 weist wiederum zwei Mikrolinsenarrays 32a und 32b auf,
die im Abstand g zueinander angeordnet sind. Der Abstand g ist wiederum
gleich der Brennweite des rechten Mikrolinsenarrays, also g = f32b.
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Eine
Lichtquelle 36, insbesondere ein Laser, erzeugt einen Lichtstrahl 37,
der in 2 von links kommend auf das linke Mikrolinsenarray 32a des Wabenkondensors 30 fällt.
Nach Durchlaufen des Wabenkondensors 30 trifft er auf eine
Oberfläche 38, die wiederum eine Oberfläche
eines Spiegels, eines Werkstücks oder eine Ebene im Raum
sein kann.
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Die
Mikrolinsenarrays 32a und 32b weisen Mikrolinsen 40a bzw. 40b auf.
Dabei ist wichtig, dass nunmehr der Rasterabstand P, der so genannte Pitch,
unterschiedlich ist. Der Rasterabstand Pa der Mikrolinsen 40a des
linken Mikrolinsenarrays 32a ist nämlich größer
als der Rasterabstand Pb der Mikrolinsen 40b des rechten
Mikrolinsenarrays 32b, also Pb < Pa.
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Damit
wird die Funktion der Fresnel-Linse auf das rechte Mikrolinsenarray 32b übertragen.
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Wie
man deutlich erkennt, enthält der Wabenkondensor 30 keine
Fresnel-Linse. Der Einbauraum zwischen dem Wabenkondensor 30 und
der Oberfläche 42 ist frei von optisch wirksamen
Einbauten.
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In 3 ist
eine Frontansicht und in 4 ein Schnitt des Mikrolinsenarrays 32 dargestellt.
Man erkennt, dass das Mikrolinsenarray 32 die Gestalt einer
Rippelplatte hat, bei der eine Mehrzahl von zylindrischen Mikrolinsen 401 , 402 , 403 , 404 ... 40n untereinander angeordnet ist. Die
Mikrolinsen 401 , 402 , 403 , 404 ... 40n haben
eine Oberfläche 42 und einen Scheitel 44.
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Ein
Strahlenbüschel 46, das durch zwei gegenüberliegende
Mikrolinsen 40a, 40b propagiert, deren Scheitel 44 auf
einer zur Strahlrichtung parallelen Geraden liegen, erfährt
keine Ablenkung. Hingegen wird ein Strahlenbüschel 47,
das durch zwei Mikrolinsen 40a, 40b mit quer zur
Strahlrichtung versetzten Scheiteln 44 läuft,
um einen Winkel α verkippt. Diese Verkippung bewirkt, dass
es in der Oberfläche 38 wieder zu einer Überlagerung
der Strahlenbüschel kommt. Es überlagern sich
Feldpunkte mit dem Abstand P, ausgehend vom rechten Mikrolinsenarray 32b,
mit gleichem Winkel α auf der Oberfläche 38.
Da der Abstand g = f32b beträgt,
verlassen Strahlen, ausgehend von einem Feldpunkt auf dem linken
Mikrolinsenarray 32a, den Wabenkondensor 30 als
paralleles Strahlenbüschel. Somit entsteht in der homogen
ausgeleuchteten Oberfläche 38 eine verschmierte
Kante 48, die der Breite der Mikrolinsen 40a des
linken Mikrolinsenarrays 32a entspricht.
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Bei
dem in 5 gezeigten Wabenkondensor 30* besteht
ein Unterschied zum Wabenkondensor 30 aus 2 nur
insofern, als der Abstand g* zwischen den Scheiteln der Mikrolinsenarrays 32a und 32b so
eingestellt ist, dass es in der Oberfläche 38 wieder
zu einer Abbildung kommt. Der Abstand kann über die Abbildungsgleichung 1/f32b = 1/g* + 1/bbestimmt
werden, wobei b der Abstand zwischen dem rechten Mikrolinsenarray 32b und
der Oberfläche 38 ist. Daraus folgt für
den Abstand g* = 1/(1/b – 1/f32b).
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Mit
dieser Dimensionierung ergibt sich eine optimale Steilheit des Intensitätsverlaufs
im Bereich einer Kante 48* des Lichtstrahls.
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- 10
- Wabenkondensor
- 12a,
12b
- Mikrolinsenarray
- 14
- Fourier-Linse
- 16
- Lichtquelle
- 17
- Lichtstrahl
- 18
- Oberfläche
(Ebene, Spiegel, Panel)
- 20
- Mikrolinsen
- 22
- Oberfläche
- 24
- Scheitel
- 26
- Strahlenbüschel
- 28
- Bild
- 29
- Kante
- 30,
30*
- Wabenkondensor
- 32a,
32b
- Mikrolinsenarray
- 36
- Lichtquelle
- 37
- Lichtstrahl
- 38
- Oberfläche
(Ebene, Spiegel, Panel)
- 40a,
b
- Mikrolinsen
- 401–40n
- Zylinderlinsen
- 42
- Oberfläche
- 44
- Scheitel
- 46,
46', 46'*
- Strahlenbüschel
- 47,
47', 47'*
- Strahlenbüschel
- 48,
48*
- Kante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 1762932
A [0003]
- - US 1762932 [0004]
- - DE 968430 A [0005]
- - US 5392140 A [0006]
- - DE 10344010 A1 [0008]