DE102009035789A1 - Optical system useful in a device for laser material processing, comprises a housing, optical elements arranged inside the housing and having an optically active surface, a reception zone for receiving a flushing gas, and a flushing device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches System.The The invention relates to an optical system.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar in optischen Systemen mit vergleichsweise starker thermischer Beanspruchung der optischen Elemente, und des Weiteren insbesondere in Verbindung mit solchen optischen Systemen, bei welchen die Strahlführung bzw. Lichtausbreitungsrichtung zu einem wesentlichen Anteil in (bezogen auf die Aufstandsfläche des optischen Systems) vertikaler Richtung verläuft, wie z. B. einem Pulsstretcher.The The invention is particularly advantageously applicable in optical systems with comparatively high thermal stress on the optical elements, and further particularly in connection with such optical Systems in which the beam guidance or light propagation direction to a substantial proportion in (in relation to the footprint of the optical system) in the vertical direction, such as z. B. a pulse stretcher.
Im Betrieb optischer Systeme tritt insbesondere bei Verwendung hoher Lichtleistungsdichten das Problem auf, dass die mit der hohen Lichtleistungsdichte einhergehende Temperaturerhöhung der optischen Elemente (wie z. B. Linsen, Spiegel, Prismen oder Strahlteiler) dazu führt, dass das die betreffenden erwärmten Oberflächen umgebende Gas sich ebenfalls erwärmt und lokale Schwankungen der Brechzahl innerhalb des Strahlenganges des optischen Systems bewirkt. Derartige lokale Schwankungen der Brechzahl werden auch als „Schlieren” bezeichnet und können je nach Anwendung eine Verschiebung der Fokuslage oder eine anderweitige Degradierung der Eigenschaften des optischen Systems zur Folge haben.in the Operation of optical systems occurs especially when using high Light power density suffers the problem that those with the high light power density accompanying increase in temperature of the optical elements (such as lenses, mirrors, prisms or beam splitters) that the respective heated surfaces surrounding gas also warms up and local fluctuations the refractive index within the optical path of the optical system causes. Such local variations in refractive index will also referred to as "streaks" and can depending on the application, a shift in focus position or otherwise Degradation of the properties of the optical system result.
Neben aus der Astronomie bekannten aktiven optischen Systemen (aktiven Spiegeln) zur Korrektur von atmosphärischen Turbulenzen ist es zur Vermeidung der Schlierenbildung u. a. bekannt, über ein Anblasen optischer Elemente das erwärmte Gas von den jeweiligen optischen Elementen wegzublasen und hierdurch die Entstehung sogenannter thermischer Linsen zu vermeiden.Next known from astronomy active optical systems (active Mirroring) for correcting atmospheric turbulence it is to avoid the streaking u. a. known about one Blowing optical elements from the respective heated gas wegzuschublasen optical elements and thereby the formation of so-called to avoid thermal lenses.
Aus
Besonders problematisch hinsichtlich des eingangs beschriebenen Problems der Schlierenbildung sind optische Systeme mit im betroffenen Bereich bezogen auf die Aufstandsfläche vertikaler Strahlführung, da das aufsteigende erwärmte Gas für vergleichsweise lange Zeit im Strahlengang verbleibt und somit die Probleme der Schlierenbildung verstärken kann.Especially problematic with regard to the problem described at the outset Streaking are optical systems in the affected area based on the footprint of vertical beam guidance, because the rising heated gas for comparatively remains in the beam path for a long time and thus the problems of Can increase streaking.
Ein
Beispiel für Systeme mit typischerweise vertikaler Strahlführung
bilden insbesondere Anordnungen zur Veränderung der Pulslänge
bzw. Strecken von Laserpulsen, wie sie z. B. aus
Eine
vereinfachte Darstellung eines Pulsstretchers ist in
Derartige optische Systeme, welche – wie im Falle des Pulsstretchers – auch Module innerhalb eines größeren Gesamtsystems sein können, werden herkömmlicherweise insofern vertikal angeordnet, als die Längsachse (d. h. die in die Richtung der größeren räumlichen Ausdehnung weisende Achse) vertikal bzw. senkrecht zur Aufstandsfläche des optischen Systems orientiert ist, um die erforderliche Stellfläche im Betrieb des optischen Systems (also z. B. während der Fertigung von Bauelementen mittels einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage) möglichst gering zu halten. Dies ist gerade bei einem Pulsstretcher insofern von besonderer Bedeutung, als infolge des zugrundeliegenden Prinzips einer Ausnutzung der Lichtgeschwindigkeit durch mehrfache Faltung des Strahlenganges möglichst große Strecken für den erzielten Wegunterschied bereitzustellen sind, so dass die Abstände zwischen den Spiegeln relativ groß sind, weshalb wiederum zur Minimierung der Stellfläche in der Waferfabrik prinzipiell eine vertikale Aufstellung wünschenswert ist.such optical systems, which - as in the case of Pulsstretchers - also Modules within a larger overall system can conventionally be so far vertically arranged as the longitudinal axis (i.e. Direction of greater spatial extent pointing axis) vertically or perpendicular to the footprint of the optical system is oriented to the required footprint during operation of the optical system (eg during the Manufacture of components by means of a microlithographic projection exposure apparatus) keep as low as possible. This is just for a pulse stretcher in so far as of particular importance, as a result of the underlying Principle of exploiting the speed of light by multiple Fold the beam path as long as possible are to be provided for the path difference achieved, so that the distances between the mirrors are relatively large, why again to minimize the footprint in the Wafer factory in principle, a vertical placement desirable is.
Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System bereitzustellen, welches eine wirksame Vermeidung lokaler Brechzahlschwankungen bei zugleich geringer Aufstandsfläche des Systems ermöglicht.In front In the above background, it is an object of the present invention to to provide an optical system which is an effective prevention local refractive index fluctuations at the same time low footprint of the system.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.These The object is achieved by the features of the independent claims solved.
Gemäß einen Aspekt der Erfindung weist ein optisches System ein Gehäuse, wenigstens ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes optisches Element, welches zumindest eine optisch wirksame Fläche aufweist, wobei im Betrieb des optisches Systems Licht auf diese Fläche unter einem Auftreffwinkel von maximal 60° zur Flächennormalen auftrifft, einen Aufnahmebereich zur Aufnahme von Spülgas aus einer unmittelbaren Umgebung des optisches Elementes und wenigstens eine Spülvorrichtung zur Unterstützung einer Spülgasströmung von der unmittelbaren Umgebung des optischen Elementes in den Aufnahmebereich auf.According to one Aspect of the invention, an optical system comprises a housing, at least one disposed within the housing optical Element which has at least one optically effective surface wherein, during operation of the optical system, light is applied thereto Area under an impact angle of maximum 60 ° to Surface normal impinges, a recording area for recording of purge gas from an immediate vicinity of the optical element and at least one flushing device for assistance a purge gas flow from the immediate environment of the optical element in the receiving area.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einem optischen System erwärmtes Gas im Bereich von starker Lichtleistung ausgesetzten optischen Elementen schnellstmöglich aus dem optisch genutzten Bereich zu entfernen, um lokale Schwankungen der Brechzahl bzw. Schlierenbildung innerhalb des Strahlenganges zu vermeiden.Of the Invention is based in particular on the concept, in an optical System heated gas in the range of strong light output exposed optical elements as soon as possible from the optically used area to remove local variations of the Refractive index or Schlieren formation within the beam path to avoid.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass infolge der effektiven Vermeidung von Schlierenbildung auf eine grundsätzlich ebenfalls in Betracht kommende, jedoch vergleichsweise aufwändige und kostenintensive Spülung des opti schen Systems mit Helium (bei welchem die Brechzahländerung durch Temperatureinflüsse vergleichsweise gering bis vernachlässigbar ist) verzichtet werden kann und stattdessen ein einfacher und kostengünstiger zu handhabendes, vorzugsweise inertes Spülgas wie Stickstoff verwendet werden kann.One Another advantage of the invention is that due to the effective Avoiding streaking on a principle also eligible, but relatively expensive and costly flushing of the optical system with helium (in which the refractive index change due to temperature influences comparatively small to negligible) is omitted can be and instead a simpler and cheaper to be handled, preferably inert purge gas such as nitrogen can be used.
Gemäß einer Ausführungsform trifft Licht im Betrieb des optisches Systems auf die optisch wirksame Fläche unter einem Auftreffwinkel von maximal 50° zur Flächennormalen, insbesondere einem Auftreffwinkel von maximal 45° zur Flächennormalen, weiter insbesondere einem Auftreffwinkel von maximal 30° zur Flächennormalen, und weiter insbesondere senkrecht auf.According to one Embodiment meets light in the operation of the optical system on the optically effective surface under an impact angle of a maximum of 50 ° to the surface normal, in particular an impact angle of maximum 45 ° to the surface normal, continue in particular an impact angle of maximum 30 ° to the surface normal, and further in particular perpendicular.
Gemäß einer Ausführungsform verläuft die Spülgasströmung in einem Winkel von maximal 30°, insbesondere einem Winkel von maximal 20°, weiter insbesondere einem Winkel von maximal 10° zu der optisch wirksamen Fläche (wobei dieses Kriteriumim Falle einer gekrümmten Fläche auf den Winkel zur jeweiligen Flächentangente bezogen werden kann).According to one Embodiment runs the purge gas flow at an angle of at most 30 °, in particular an angle of a maximum of 20 °, further in particular an angle of maximum 10 ° to the optically effective surface (this Criterion in the case of a curved surface the angle to the respective surface tangent be related can).
Gemäß einer Ausführungsform verläuft die Spülgasströmung im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung. Dadurch, dass die erfindungsgemäß erzeugte Spülgasströmung quer zur Lichtausbreitungsrichtung sowie hin zu einem Aufnahmebereich verläuft, kann ein zu Schlierenbildung führender, zeitlich ausgedehnter Verbleib dieses erwärmten Gases im Strahlengang wirksam vermieden werden.According to one Embodiment runs the purge gas flow substantially perpendicular to the light propagation direction. Thereby, that the purge gas flow generated according to the invention transverse to the light propagation direction as well as to a receiving area runs, can lead to streaking, temporally extended whereabouts of this heated gas in the Beam path can be effectively avoided.
Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens eine Abtrennung vorgesehen, welche einer Spülgasströmung aus dem Aufnahmebereich zurück zu dem optischen Element entgegenwirkt. Die Abtrennung kann insbesondere in Form einer Platte oder Folie oder als rohrförmiges Element ausgebildet sein.According to one Embodiment, at least one partition is provided, which a purge gas flow from the receiving area counteracts back to the optical element. The separation can in particular in the form of a plate or foil or as a tubular Element be formed.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Aufnahmebereich durch ein an das Gehäuse angeschlossenes schlauch- oder rohrförmiges Element gebildet, wodurch auch bei vergleichsweise beengten Platzverhältnissen eine besonders effektive Abführung des erwärmten Gases ermöglicht wird. Das schlauch- oder rohrförmige Element kann an das Gehäuse insbesondere über einen sich verjüngenden Abschnitt angeschlossen sein.According to one Embodiment, the receiving area by a to the Housing connected tubular or tubular Element formed, whereby even in comparatively narrow spaces a particularly effective dissipation of the heated Gases is enabled. The tubular or tubular Element can in particular over to the housing be connected to a tapered section.
Die Spülvorrichtung kann ein Gebläse und/oder eine vorzugsweise im Aufnahmebereich angeordnete Absaugeinrichtung aufweisen.The Flushing device can be a blower and / or a preferably have arranged in the receiving area suction device.
Gemäß einer Ausführungsform gehört das optische Element einer langgestreckten Baugruppe an, deren Abmessung entlang ihrer Längsachse wenigstens dem Vierfachen der Ausdehnung in einer zu der Längsachse senkrechten Richtung entspricht. Die Baugruppe kann insbesondere eine Anordnung zur Veränderung der Pulslänge von Laserpulsen (Pulsstretcher) sein. In Verbindung mit einer solchen Baugruppe ist die Erfindung wie eingangs bereits erläutert besonders vorteilhaft, da bei langgestreckten Baugruppen aus Gründen der Stellplatzminimierung grundsätzlich eine vertikale Aufstellung angestrebt wird, bei der das Problem der Schlierenbildung besonders gravierend und somit der Einsatz der Erfindung besonders wirkungsvoll ist.According to one Embodiment belongs to the optical element of a elongated assembly, whose dimension along its longitudinal axis at least four times the extent in one to the longitudinal axis vertical direction corresponds. The assembly can in particular an arrangement for changing the pulse length of Be laser pulses (Pulse Stretcher). In conjunction with such an assembly the invention is particularly as already explained advantageous because of elongated assemblies for reasons the parking space minimization basically a vertical The aim is to set up, where the problem of streaking particularly serious and thus the use of the invention especially is effective.
Gemäß einer Ausführungsform ist diese Baugruppe bezogen auf eine Aufstandsfläche des optischen Systems derart angeordnet ist, dass ihre Längsachse relativ zur Aufstandsflächennormalen geneigt ist. Dabei ist vorzugsweise der Winkel zwischen der Längsachse und der Aufstandsflächennormalen kleiner als 45° und beträgt weiter vorzugsweise wenigstens 10°, insbesondere wenigstens 20°. Infolgedessen kann erwärmtes Spülgas, welches aus der Spülvorrichtung den an das betreffende optische Element angrenzenden Bereich durchströmt, z. B. seitlich an der Gehäusewand emporsteigen und gelangt somit -anders als bei einer in Bezug auf die Aufstandsfläche vertikalen Anordnung- nicht mehr in den Strahlengang. Gemäß dieser Ausführungsform wird somit bewusst eine gewisse Vergrößerung der im Betrieb des optischen Systems (z. B. während des Mikrolithographie-Prozesses) erforderlichen Aufstandsfläche gegenüber einer exakt vertikalen Anordnung in Kauf genommen, um so im Gegenzug das im Rahmen der Erfindung anvisierte Problem der Schlierenbildung zu verringern.According to one embodiment, this assembly is arranged with respect to a footprint of the optical system such that its longitudinal axis is inclined relative to the footprint normal. In this case, the angle between the longitudinal axis and the contact surface normal is preferably less than 45 ° and is more preferably at least 10 °, in particular at least 20 °. As a result, heated purge gas, which flows from the flushing device adjacent to the respective optical element region, for. B. rise laterally on the housing wall and thus reaches -and other than in a vertical with respect to the contact surface arrangement- no longer in the beam path. Thus, according to this embodiment, a certain increase in the uprising required during operation of the optical system (eg during the microlithography process) becomes conscious surface compared to a precisely vertical arrangement accepted, so as to reduce the targeted in the context of the invention problem of streaking.
Wenngleich das vorstehend beschriebene Konzept der gekippten Aufstellung einer langgestreckten Baugruppe vorteilhaft in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Spülvorrichtung ist, ist dieses Konzept nicht auf das Vorhandensein einer Spülvorrichtung beschränkt.Although the above-described concept of tilted installation a elongated assembly advantageous in conjunction with the invention Flushing device, this concept is not on the presence a flushing device limited.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung somit auch ein optisches System mit einer langgestreckten Baugruppe, deren Abmessung entlang ihrer Längsachse wenigstens dem Vierfachen der Ausdehnung in einer zu der Längsachse senkrechten Richtung entspricht, insbesondere einer Anordnung zur Veränderung der Pulslänge von Laserpulsen (Pulsstretcher), wobei die Baugruppe bezogen auf eine Aufstandsfläche des optischen Systems derart angeordnet ist, dass ihre Längsachse relativ zur Aufstandsflächennormalen geneigt ist.According to one In another aspect, the invention thus also relates to an optical System with an elongated assembly whose dimension is along its longitudinal axis at least four times the extent in a direction perpendicular to the longitudinal axis, in particular an arrangement for changing the pulse length of laser pulses (Pulse Stretcher), the assembly based on a footprint of the optical system is arranged is that its longitudinal axis relative to the contact patch normal is inclined.
Gemäß einer Ausführungsform weist das optische System weiter wenigstens einen absorbierenden Bereich und wenigstens eine reflektierende Oberfläche auf, welche innerhalb des optischen Systems erzeugtes Streulicht in Richtung des absorbierenden Bereichs ablenkt. Der absorbierende Bereich kann insbesondere am Gehäuse ausgebildet sein. Des Weiteren kann der absorbierende Bereich zur Steigerung der Wärmeabführung wenigstens bereichsweise eine rippenförmige Struktur aufweisen. Der absorbierende Bereich befindet sich vorzugsweise oberhalb des Strahlenganges, so dass aufsteigende warme Luft nicht mehr in den Strahlengang gelangt.According to one Embodiment further extends the optical system at least an absorbent region and at least one reflective surface on which stray light generated within the optical system deflects in the direction of the absorbent area. The absorbent Area can be formed in particular on the housing. Of Further, the absorbent portion can increase the heat dissipation at least partially have a rib-shaped structure. Of the absorbing area is preferably above the beam path, so that rising warm air no longer enters the beam path.
Wenngleich das Konzept der gezielten Kombination einer reflektierenden Oberfläche mit einem absorbierenden Bereich vorteilhaft in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Spülvorrichtung ist, ist dieses Konzept ebenfalls nicht auf das Vorhandensein einer Spülvorrichtung beschränkt. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung somit auch ein optisches System mit einem Gehäuse, wenigstens einem an dem Gehäuse vorgesehenen absorbierenden Bereich und wenigstens einer reflektierenden Oberfläche, welche innerhalb des optischen Systems erzeugtes Streulicht in Richtung des absorbierenden Bereichs ablenkt.Although the concept of targeted combination of a reflective surface with an absorbent region advantageous in conjunction with the Flushing device according to the invention, Also, this concept is not based on the presence of a flushing device limited. According to another aspect Thus, the invention also relates to an optical system with a Housing, at least one provided on the housing absorbent area and at least one reflective surface, which scattered light generated within the optical system in the direction of the absorbent area deflects.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Systems, insbesondere eines optischen Systems nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das optische System ein Gehäuse und wenigstens ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes optisches Element aufweist, welches zumindest eine optisch wirksame Fläche aufweist, auf welche Licht im Betrieb des optisches Systems unter einem Winkel von wenigstens 60° auftrifft, mit dem Schritt: Unterstützen einer Spülgasströmung von einer unmittelbaren Umgebung des optischen Elementes in einen Aufnahmebereich.According to one In another aspect, the invention relates to a method of operation an optical system, in particular an optical system according to one of the preceding claims, wherein the optical system a housing and at least one within the housing arranged optical element having at least one has optically effective surface on which light in the operation of the optical system impinges at an angle of at least 60 °, with the step of: supporting a purge gas flow from an immediate vicinity of the optical element into one Pickup area.
Zu bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteilen des Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen optischen System verwiesen.To preferred embodiments and advantages of the method is on the above statements in connection with the invention directed optical system.
Die Erfindung ist generell vorteilhaft in Vorrichtungen und Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung einsetzbar, beispielsweise zur Laserkristallisation (z. B. in den in Literatur hinlänglich bekannten ELA-Verfahren, SLS-Verfahren, TDX-Verfahren und ZMR-Verfahren), sowie in Vorrichtungen und Verfahren zur Laserdotierung (d. h. Aktivierung von Dotanden in Halbleitern), zum Laserhärten, zum Laserschneiden, zum Laserschweißen etc.The Invention is generally advantageous in devices and methods used for laser material processing, for example for laser crystallization (eg in the ELA method well-known in the literature, SLS method, TDX method and ZMR method), as well as in devices and method of laser doping (i.e., activation of dopants in semiconductors), for laser hardening, for laser cutting, for Laser welding etc.
Die Erfindung betrifft somit ferner eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zur Laserkristallisation, wobei die Vorrichtung ein optisches System mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen aufweist.The The invention thus further relates to a device for laser material processing, in particular for laser crystallization, wherein the device a having optical system with the features described above.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.Further Embodiments of the invention are the description and the dependent claims refer to.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The Invention is described below with reference to the attached Figures illustrated embodiments closer explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Gemäß
In
einem Bereich außerhalb des optischen Strahlengangs befindet
sich eine Spülvorrichtung
Infolge
Absorption an den optisch wirksamen Schichten der optischen Elemente
Gemäß
Das
Ausführungsbeispiel in
Das
Ausführungsbeispiel in
Des
Weiteren ist gemäß
Des
Weiteren können die optischen Elemente
Gemäß
Mit
anderen Worten ist die gesamte Baugruppe
Die Erfindung ist neben dem Einsatz zur Laserkristallisation (z. B. in den bekannten ELA-Verfahren, SLS-Verfahren, TDX-Verfahren und ZMR-Verfahren) oder zum Laserhärten z. B. auch in Vorrichtungen und Verfahren zur Laserdotierung (d. h. Aktivierung von Dotanden in Halbleitern), zum Laserschneiden oder zum Laserschweißen sowie weiteren Vorrichtungen und Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung anwendbar.The The invention is in addition to the use for laser crystallization (eg. in the known ELA method, SLS method, TDX method and ZMR method) or for laser hardening z. B. also in devices and method of laser doping (i.e., activation of dopants in semiconductors), for laser cutting or for laser welding and other devices and methods for laser material processing applicable.
Die
Vorrichtung gemäß
Gemäß
Das
Projektionsoptikmodul
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z. B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.If the invention also uses special Has been described embodiments, will be apparent to those skilled numerous variations and alternative embodiments, for. B. by combination and / or exchange of features of individual embodiments. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that such variations and alternative embodiments are intended to be embraced by the present invention, and the scope of the invention is limited only in terms of the appended claims and their equivalents.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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