DE102010027196B4

DE102010027196B4 - Optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus sowie Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats mit einem solchen optischen System

Info

Publication number: DE102010027196B4
Application number: DE201010027196
Authority: DE
Inventors: Holger Münz
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: KR20120004940A; DE102010027196A1; CN102313993A

Abstract

Optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus (F) in einer Bildebene (B) aus einem Lichtstrahl (32; 62), der sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet, mit einer Strahlaufweitungsoptik (36; 64), die den Lichtstrahl (32; 62) in einer ersten Dimension (x) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z) aufweitet, und mit einer Fokussieroptik (38; 66), die den Lichtstrahl (32; 62) in einer zweiten Dimension (y) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z) und senkrecht zur ersten Dimension (x) in die Bildebene (B) in Form des Linienfokus (F) fokussiert, wobei der Linienfokus (F) in der ersten Dimension (x) eine Abmessung (L) aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Abmessung (W) des Linienfokus (F) in der zweiten Dimension (y), gekennzeichnet durch einen Fokusmanipulator (40; 72) zum kontinuierlichen Korrigieren des Verlaufs des Linienfokus (F), der ein erstes und zumindest ein zweites optisches Element (42, 44; 74, 76) aufweist, wobei das erste optische Element (42; 74) eine erste Asphäre (46;...

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus in einer Bildebene aus einem Lichtstrahl, der sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet, mit einer Strahlaufweitungsoptik, die den Lichtstrahl in einer ersten Dimension senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweitet, und mit einer Fokussieroptik, die den Lichtstrahl in einer zweiten Dimension senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur ersten Dimension in die Bildebene in Form des Linienfokus fokussiert, wobei der Linienfokus in der ersten Dimension eine Abmessung aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Abmessung des Linienfokus in der zweiten Dimension.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats, insbesondere zum Aufschmelzen einer Siliziumschicht, mit einem Lichtstrahl in Form eines Linienfokus.
Ein optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus sowie eine Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats der eingangs genannten Arten sind aus WO 2006/066687 A1 oder WO 2007/014662 A1 bekannt.
Ein optisches System der eingangs genannten Art kann insbesondere in einer Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats verwendet werden, bei der eine Siliziumschicht mittels des Linienfokus, der relativ zur Siliziumschicht verfahren wird, aufgeschmolzen wird. Dieses Aufschmelzen der Siliziumschicht dient dazu, aus der Schicht aus anfangs amorphem Silizium eine Schicht aus kristallinem Silizium herzustellen. Eine solche laserinduzierte Kristallisation wird insbesondere auf dem Gebiet der Herstellung von Bildschirmen, insbesondere auf dem Gebiet der Herstellung von Flachbildschirmen verwendet.
Der zur Substratbehandlung dienende Linienfokus weist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein sehr großes Verhältnis seiner beiden Abmessungen senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung auf, wobei das Verhältnis aus der Abmessung in der ersten Dimension zur Abmessung in der dazu senkrechten zweiten Dimension größer als 100, insbesondere größer als 500 ist und sogar etwa 10.000 betragen kann.
Um einen solchen Linienfokus aus einem Lichtstrahl zu erzeugen, der wiederum von einer Lichtquelle erzeugt wird, beispielsweise einem Laser, weist das optische System eine Strahlaufweitungsoptik auf, die den Lichtstrahl, der von der Lichtquelle kommt, in der ersten Dimension senkrecht zur Ausbreitungsrichtung aufweitet, und eine Fokussieroptik, die den so aufgeweiteten Lichtstrahl in der zweiten Dimension senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur ersten Dimension in die Bildebene in Form des Linienfokus fokussiert.
Die Qualität der Behandlung des Substrats hängt davon ab, wie homogen die Lichtverteilung im Linienfokus in der Bildebene ist, in der sich die zu behandelnde Oberfläche des Substrats befindet. Da die Oberfläche des zu behandelnden Substrats in der Regel eben ist, muss auch der Linienfokus vollständig in der Substratebene liegen.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass der Linienfokus häufig eine Durchbiegung aufweist. Mit anderen Worten wurde beobachtet, dass der Linienfokus in der Mitte des Linienfokus in Bezug auf die erste Dimension zwar exakt in der Substratebene liegt, zu beiden Rändern in der ersten Dimension hin jedoch einen Abstand von der Substratebene aufweist. In der Substratebene wird somit zu den Rändern in der ersten Dimension hin kein dünner Linienfokus erzeugt, sondern die Abbildung des Lichtstrahls ist zu den Rändern des Substrats hin verbreitert bzw. verschmiert.
Zur Behebung dieses technischen Problems wird in der WO 2006/066687 A1 vorgeschlagen, die Fokussieroptik als reflektives System aufzubauen. Während bei einer refraktiven Fokussieroptik die optische Abbildung von der nichtlinearen Sinusfunktion beherrscht wird, gilt dies nicht für eine reflektive Fokussieroptik, so dass bei einer reflektiven Fokussieroptik die vorstehend genannte Durchbiegung des Linienfokus vermieden werden kann.
In der WO 2007/014662 A1 wird eine refraktive Fokussieroptik verwendet, wobei jedoch zur Vermeidung einer Durchbiegung des Linienfokus in der durch die Ausbreitungsrichtung und die erste Dimension aufgespannten Ebene ein optisches Korrekturelement in der Fokussieroptik verwendet wird.
In beiden genannten Dokumenten wird jedoch nur eine statische Korrektur des Linienfokus ermöglicht. Eine solche statische Korrektur kann jedoch auch bei einem System mit reflektiver Fokussieroptik unzureichend sein, wenn sich die optischen Eigenschaften des optischen Systems aufgrund von Erwärmung einzelner optischer Elemente oder durch Austausch einzelner optischer Elemente im Fall von Degradation oder Beschädigung ändern. Im Fall der bekannten optischen Systeme ist es daher erforderlich, im Falle einer Änderung der optischen Eigenschaften des Systems, sei es durch wärmeinduzierte Effekte oder durch Austauschelemente, das optische System nachzujustieren oder, wie im Fall des optischen Systems in WO 2007/014662 A1 andere oder zusätzliche optische Korrekturelemente einzusetzen. Dies erfordert jedoch eine Neujustage des gesamten optischen Systems und somit einen hohen Aufwand bei der Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft des optischen Systems. Außerdem kann es hierdurch zu Ausfallzeiten des optischen Systems und damit der Vorrichtung zum Behandeln des Substrats kommen.
Aus dem Dokument US 2008/0272275 A1 ist ein optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus bekannt, bei dem zur Korrektur des Linienfokus auf eine Oberfläche eines Abschlussfensters zylindrische Segmente aufgebracht werden, um den Linienfokus zu korrigieren. Mit diesem optischen System soll auch eine Durchbiegung des Linienfokus in der Bildebene verringert bzw. behoben werden.
Das Dokument DE 10 2004 034 966 A1 offenbart eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Lichtrastermikroskop mit linienförmiger Abtastung, wobei ein im Querschnitt im Wesentlichen rotationssymmetrischer, insbesondere Gauß-förmiger, Ursprungsstrahl auf eine Konvertierungseinheit geleitet wird, die zumindest einen asphärischen, konvexen oder konkaven Spiegel aufweist, der im Bereich des Auftreffpunktes des Ursprungsstrahls stärker gekrümmt ist als in auftreffpunktfernen Bereichen. Dem asphärischen Spiegel kann ein zweiter Spiegel nachgeordnet sein, der zylindrisch ist.
Aus dem Dokument DE 10 2007 044 298 B3 ist eine optische Anordnung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einem linienhaften Strahlquerschnitt bekannt, dessen Strahlprofil durch axiales Verschieben einzelner in den optischen Abbildungszweigen vorhandener Kondensor- und/oder Feldlinsenoptiken oder durch eine Drehung der Optiken variiert bzw. gezielt optimiert werden kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden, dass insbesondere die Qualität des Linienfokus des optischen Systems ohne erhöhten Aufwand optimiert werden kann.
Hinsichtlich des eingangs genannten optischen Systems wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Fokusmanipulator zum kontinuierlichen Korrigieren des Verlaufs des Linienfokus vorhanden ist, der ein erstes und zumindest ein zweites optisches Element aufweist, wobei das erste optische Element eine erste Asphäre und das zweite optische Element eine zweite Asphäre aufweist, und wobei das erste optische Element und das zweite optische Element zum kontinuierlichen Korrigieren des Verlaufs des Linienfokus relativ zueinander lageverstellbar sind.
Das erfindungsgemäße optische System ist erfindungsgemäß in der Lage, den Verlauf des Linienfokus so zu kontrollieren, dass dieser, insbesondere in der durch die Ausbreitungsrichtung und die erste Dimension aufgespannten Ebene, zumindest näherungsweise genau gerade ist. Der Verlauf des Linienfokus kann bei dem erfindungsgemäßen optischen System somit korrigiert werden, und zwar im Unterschied zu den bekannten optischen Systemen dynamisch und auch während des Betriebs des optischen Systems. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der erfindungsgemäß vorgesehene Fokusmanipulator zumindest zwei optische Elemente aufweist, die jeweils mit einer Asphäre versehen sind, und die beiden optischen Elemente relativ zueinander lageverstellbar sind. Je nach Form der ersten und zweiten Asphäre und je nach Richtung und Betrag der Lageverstellung der beiden optischen Elemente relativ zueinander kann somit der Verlauf des Linienfokus in gewünschter Weise korrigiert bzw. in gewünschter Weise angepasst werden. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Fokusmanipulator eine Durchbiegung des Linienfokus verringert, vorzugsweise jedoch vollständig eliminiert werden.
Da bei dem erfindungsgemäßen optischen System eine dynamische Korrektur des Verlaufs des Linienfokus ermöglicht wird, werden Ausfallzeiten des optischen Systems vermieden, und ebenso wird auch ein erhöhter Aufwand einer Justage des gesamten optischen Systems für die Korrektur des Verlaufs des Linienfokus vermieden, weil hierzu nur der Fokusmanipulator eingestellt werden muss, während die übrigen optischen Elemente des optischen Systems nicht manipuliert werden müssen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß vorgesehenen Fokusmanipulators ist, dass mit einem solchen Fokusmanipulator auch bereits bestehende optische Systeme nachgerüstet werden können, ohne dass dies einen großen Eingriff in das bestehende optische System darstellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist/sind das erste optische Element und/oder das zweite optische Element bezüglich der korrigierenden Wirkung auf den Verlauf des Linienfokus in der ersten Dimension zu einer Feldebene, insbesondere zur Bildebene, optisch nah angeordnet.
Durch die zu einer Feldebene, insbesondere zur Bildebene, optisch nahe Anordnung zumindest eines der beiden optischen Elemente des Fokusmanipulators wird vorteilhafterweise eine Korrekturwirkung auf den gesamten Feldverlauf des Linienfokus in der Bildebene in Richtung der ersten Dimension ermöglicht, insbesondere vor dem Hintergrund, dass der Linienfokus in der ersten Dimension eine sehr große Erstreckung von beispielsweise 30 cm oder darüber aufweisen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist/sind das erste optische Element und/oder das zweite optische Element in der Fokussieroptik oder zwischen der Fokussieroptik und der Bildebene angeordnet.
Diese Maßnahme stellt vorteilhafterweise eine feldnahe Anordnung zumindest eines der beiden optischen Elemente des Fokusmanipulator dar, durch die eine besonders gute Korrekturwirkung auf den Feldverlauf des Linienfokus in der Bildebene erzielt werden kann.
Hinsichtlich der Lageverstellung der zumindest zwei optischen Elemente des Fokusmanipulators relativ zueinander ist in weiteren bevorzugten Ausgestaltungen vorgesehen, dass das erste optische Element und das zweite optische Element relativ zueinander in Richtung der ersten Dimension und/oder der zweiten Dimension translatorisch verschiebbar sind, und/oder dass das erste optische Element und das zweite optische Element relativ zueinander um eine Achse parallel zur Lichtausbreitungsrichtung verdrehbar sind.
Sowohl eine translatorische Verschiebung zumindest eines der beiden optischen Elemente des Fokusmanipulators als auch die Verdrehung zumindest eines der beiden optischen Elemente sind leicht zu beherrschende Lageverstellungen, mit denen eine kontinuierliche Korrektur des Verlaufs des Linienfokus erreicht werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Asphäre und/oder die zweite Asphäre von der Form A_1,2(x, y) ~ f_1,2(x)g_1,2(y), wobei A_1,2 die Amplitude der ersten oder zweiten Asphäre in der Ausbreitungsrichtung, x die Koordinate in der ersten Dimension und y die Koordinate in der zweiten Dimension und f_1,2 und g_1,2 Funktionen sind, die an den zu korrigierenden Verlauf des Linienfokus angepasst sind.
Vorzugsweise enthält g_1,2(y) einen Term ~ y³. Beispielsweise kann g_1,2(y) ein Polynom von der Form y³ – ay sein.
Für die Korrektur eines quadratischen Fokusverlaufes wird die erste Asphäre und/oder die zweite Asphäre vorzugsweise so gewählt, dass sie von der Form A_1,2(x, y) ist, die einen Term x²y³ enthält.
Eine solche Asphäre bewirkt bei einer translatorischen Relativverschiebung des ersten optischen Elements zum zweiten optischen Element um Δy in Richtung der y-Achse einen Differenzterm, der proportional zu Δyx²y² ist, wodurch eine quadratische Durchbiegung des Linienfokus kompensiert werden kann.
Mit der gleichen zuvor genannten Asphäre A_1,2(x, y), die einen Term ~ x²y³ enthält, kann auch ein Verlauf des Linienfokus in dritter Ordnung korrigiert werden, indem das erste optische Element und das zweite optische Element nicht in Richtung der y-Koordinate translatorisch relativ zueinander verschoben werden, sondern um die Achse parallel zur Lichtausbreitungsrichtung gegeneinander verdreht werden. Im letzteren Fall hängt nämlich der Versatz Δy in Richtung der y-Koordinate, also in Richtung der zweiten Dimension, dann zusätzlich linear von der x-Koordinate in der ersten Dimension ab, das heißt Δy(x) ~ Δr_zx, wobei Δr_z der relative Drehwinkel der beiden optischen Elemente zueinander ist, so dass ein Differenzterm erzeugt wird, der proportional zu Δr_zX³y² ist. z ist dabei die Achse in der Lichtausbreitungsrichtung.
Prinzipiell ist es auch möglich, für die Korrektur eines quadratischen Fokusverlaufes die erste Asphäre und/oder die zweite Asphäre so zu wählen, dass sie von der Form A_1,2(x, y) ist, die einen Term x³y² enthält. In diesem Fall werden die beiden optischen Elemente des Fokusmanipulators dann in Richtung der ersten Dimension x relativ zueinander verschoben, wodurch ein Differenzterm erzeugt wird, der proportional zu Δx x²y² ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Asphäre und/oder die zweite Asphäre von der Form A_1,2(x, y), die einen Term ~ xy³ enthält.
Eine solche Asphäre erzeugt bei einer translatorischen Verschiebung des ersten optischen Elements relativ zu dem zweiten optischen Element einen Kipp des Linienfokus und bei Verdrehung der beiden optischen Elemente relativ zueinander um eine Achse parallel zur Lichtausbreitungsrichtung eine Kompensation einer quadratischen Durchbiegung des Linienfokus in der durch die erste Dimension und die Lichtausbreitungsrichtung aufgespannten Ebene.
Wie bereits erwähnt können durch geeignete Wahl der ersten Asphäre und/oder zweiten Asphäre Korrekturen von beliebigen anderen Verlaufen des Linienfokus erzielt werden.
Ebenso kann zu der ersten Asphäre und/oder zur zweiten Asphäre noch eine konstante Asphäre addiert werden, um eine Grundkorrektur mittels dieser hinzuaddierten konstanten Asphäre zu ermöglichen. Hierdurch können die Amplituden der Asphären beispielsweise um einen Faktor von beispielsweise etwa 2 reduziert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Asphäre und die zweite Asphäre komplementär zueinander.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Fokusmanipulator eine Nullstellung aufweist, in der sich die optischen Wirkungen der ersten und der zweiten Asphäre gegeneinander kompensieren, so dass der Fokusmanipulator auch dann im System verbleiben kann, wenn keine Korrektur des Linienfokus erforderlich ist. Erst durch Lageverstellung der beiden optischen Elemente relativ zueinander tritt dann eine optische Wirkung des Fokusmanipulators auf, die zur Korrektur des Verlaufs des Linienfokus genutzt wird.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats, insbesondere zum Aufschmelzen einer Siliziumschicht mit einen Lichtstrahl in Form eines Linienfokus weist ein optisches System gemäß einer oder mehrerer der vorstehend genannten Ausgestaltungen auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung, wenn diese einen Strahlteiler zum Auskoppeln eines Teils der Lichtenergie aus dem Lichtstrahl und ein Abschlussfenster zwischen der Fokussieroptik und der Bildebene aufweist, ist vorgesehen, dass der Strahlteiler das erste optische Element und das Abschlussfenster das zweite optische Element bildet.
Hierbei ist von Vorteil, dass sich der erfindungsgemäße Fokusmanipulator in die Vorrichtung mit sehr geringem Aufwand einfügen lässt, indem bereits vorhandene Elemente herangezogen werden, um den Fokusmanipulator zu realisieren.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 ein optisches System gemäß dem Stand der Technik zum Erzeugen eines Linienfokus in einer Darstellung in der yz-Ebene;
2 das optische System in 1 in einer Darstellung in einer xy-Ebene;
3 das optische System in 1 in einer perspektivischen Darstellung;
4 eine Darstellung des von dem optischen System in 1 erzeugten Beleuchtungsprofils in der Bildebene;
5 eine Darstellung des von dem optischen System in 1 erzeugten Linienfokus in der xz-Ebene;
6 ein erfindungsgemäßes optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer Darstellung in einer xz-Ebene;
7 eine Darstellung des von dem optischen System in 6 erzeugten Linienfokus in der xz-Ebene;
8 ein optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Darstellung in einer xy-Ebene;
9 das optische System in 8 in einer Darstellung einer yz-Ebene;
10 einen Fokusmanipulator des optischen Systems in 6 bzw. des optischen Systems in 9, wobei der Fokusmanipulator schematisch dargestellt ist;
11 den Verlauf einer Asphäre eines ersten oder zweiten optischen Elements eines Fokusmanipulators zur Verwendung in dem optischen System gemäß 9, wobei der Verlauf der Asphäre an einem Rand des optischen Elements dargestellt ist;
12 den Verlauf einer Asphäre eines ersten oder zweiten optischen Elements eines Fokusmanipulators zur Verwendung in dem optischen System gemäß 9, wobei der Verlauf der Asphäre an einem Rand des optischen Elements dargestellt ist;
13 den gesamten Verlauf einer Asphäre eines ersten oder zweiten optischen Elements eines Fokusmanipulators zur Verwendung in dem optischen System gemäß 9;
14 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines gesamten Verlaufs der Asphäre eines ersten oder zweiten optischen Elements eines Fokusmanipulators zur Verwendung in dem optischen System gemäß 9;
15 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines gesamten Verlaufs der Asphäre eines ersten oder zweiten optischen Elements eines Fokusmanipulators zur Verwendung in dem optischen System gemäß 9; und
16 ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines gesamten Verlaufs der Asphäre eines ersten oder zweiten optischen Elements eines Fokusmanipulators zur Verwendung in dem optischen System gemäß 9.
In 1 bis 3 ist ein optisches System 10 zum Erzeugen eines Linienfokus F in einer Bildebene B aus einem Lichtstrahl 12 dargestellt, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
Das optische System 10 dient insbesondere dazu, ein in der Bildebene B angeordnetes Substrat S mit dem Linienfokus F zu bearbeiten. Eine derartige Bearbeitung kann insbesondere darin bestehen, eine Schicht aus amorphem Silizium des Substrats S aufzuschmelzen und dadurch zu kristallisieren. Der Linienfokus F wird dazu relativ zu dem Substrat S verfahren oder umgekehrt, um so die gesamte zu bearbeitende Oberfläche des Substrats S zu behandeln.
Der Lichtstrahl 12 wird von einer nicht dargestellten Lichtquelle erzeugt und hat zunächst einen mehr oder weniger quadratischen oder runden Querschnitt mit einem Durchmesser D.
Der Lichtstrahl 12 breitet sich in einer Ausbreitungsrichtung z aus (siehe jeweils das Koordinatensystem in 1 bis 3).
Um den Linienfokus F zu erzeugen, der in einer ersten Dimension x senkrecht zur Ausbreitungsrichtung z eine Länge L aufweist, und in einer zweiten Dimension y senkrecht zur ersten Dimension x und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung z ist eine Breite W, die um ein Vielfaches kleiner ist als die Länge L, wobei das Verhältnis aus L zu W größer ist als 100, insbesondere größer als 500 und sogar größer als etwa 10.000 sein kann, weist das optische System 10 eine Strahlaufweitungsoptik 14 auf, die den Lichtstrahl 12 in der ersten Dimension x aufweitet, und eine Fokussieroptik 16, die den aufgeweiteten Lichtstrahl 12 in die Bildebene zur Erzeugung des Linienfokus F fokussiert. Die Strahlaufweitungsoptik 14 ist somit nur in der ersten Dimension x und die Fokussieroptik 16 nur in der zweiten Dimension y wirksam.
1 zeigt das optische System in der yz-Ebene, 2 zeigt das optische System 10 in der xz-Ebene, und 3 zeigt das optische System perspektivisch.
Die Fokussieroptik 16 des optischen Systems 10 ist hier eine refraktive Optik.
Aufgrund dessen, dass bei dem optischen System 10 aufgrund der Strahlaufweitung in der ersten Dimension x Randstrahlen 18 und 20 unter einem Winkel von ≠ 0° auf die Fokussieroptik 16 einfallen, werden die Randstrahlen 18, 20 nicht exakt in die Bildebene B abgebildet, sondern auf Punkte, die vor oder hinter der Bildebene B liegen. Mit anderen Worten werden die Randstrahlen 18 und 20 nicht scharf auf das in der Bildebene B befindliche Substrat S abgebildet. Der mit dem optischen System 10 erzeugte Linienfokus weist in der xz-Ebene somit einen gekrümmten Verlauf auf, wie in 5 dargestellt ist, das heißt der Linienfokus F weist eine Durchbiegung in der xz-Ebene auf. In der Projektion auf die Bildebene B ergibt sich somit eine Intensitätsverteilung des Lichts, wie sie in 4 dargestellt ist. Eine solche Intensitätsverteilung auf der Oberfläche des Substrats S ist jedoch unerwünscht, weil mit einer solchen Intensitätsverteilung keine gleichmäßige Bearbeitung der Oberfläche des Substrats möglich ist.
Eine Krümmung des Linienfokus F kann jedoch nicht nur wie bei dem optischen System 10 aufgrund des Optikdesigns auftreten, sondern kann auch beispielsweise erst während der Dauer des Betriebs des optischen Systems 10, beispielsweise aufgrund von Erwärmung einzelner optischer Elemente beispielsweise der Strahlaufweitungsoptik 14 und/oder der Fokussieroptik 16, oder aufgrund eines Austausches einzelner optischer Elemente auftreten, der beispielsweise im Laufe der Zeit aufgrund von Degradation einzelner optischer Elemente erforderlich wird.
Nachfolgend werden erfindungsgemäße optische Systeme zum Erzeugen eines Linienfokus in einer Bildebene aus einem Lichtstrahl beschrieben, bei denen eine Durchbiegung des Linienfokus dynamisch korrigiert werden kann.
6 zeigt ein optisches System 30 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das optische System 30 dient zum Erzeugen eines Linienfokus F in einer Bildebene B aus einem Lichtstrahl 32, der von einer Lichtquelle 34 erzeugt wird.
Das optische System 30 ist nur in der xz-Ebene dargestellt, wobei x wiederum die Achse der ersten Dimension senkrecht zur Ausbreitungsrichtung z darstellt, in der der Linienfokus F eine Abmessung aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Abmessung des Linienfokus F in der dazu senkrechten zweiten Dimension y.
Das optische System 30 weist eine Strahlaufweitungsoptik 36 und eine Fokussieroptik 38 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel eine refraktive Optik ist.
Zum dynamischen Einstellen bzw. zum kontinuierlichen Korrigieren des Verlaufs des Linienfokus F in der Bildebene B weist das optische System 30 einen Fokusmanipulator 40 auf. Der Fokusmanipulator 40 weist ein erstes optisches Element 42 und ein zweites optisches Element 44 auf.
10 zeigt den Fokusmanipulator 40 äußerst schematisch in der yz-Ebene in Alleinstellung.
Das erste optische Element 42 weist eine erste Asphäre 46 auf, und das zweite optische Element 44 weist eine zweite Asphäre 48 auf. Die dargestellten Asphären 46 und 48 sind hier nur beispielhaft zu verstehen und sind außerdem übertrieben dargestellt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Asphären 46 und 48 komplementär zueinander ausgebildet. Dies bedeutet, dass in der in 10a) gezeigten Neutralstellung des Fokusmanipulators 40 sich die optischen Wirkungen der Asphären 46 und 48 gegeneinander aufheben.
10b) zeigt den Fokusmanipulator 40 in einer Stellung, in der das erste optische Element 42 gemäß einem Pfeil 50 relativ zu dem zweiten optischen Element 44 translatorisch in der zweiten Dimension y lageverstellt ist. Es versteht sich, dass anstelle des ersten optischen Elementes 42 das zweite optische Element 44 relativ zu dem ersten optischen Element 42 entgegen der Richtung des Pfeiles 50 lageverstellt werden kann, um die gleiche optische Wirkung zu erzielen, oder dass beide optische Elemente 42 und 44 in zueinander entgegengesetzten Richtungen translatorisch verschoben werden können, um eine gewünschte optische Wirkung aufgrund der gegeneinander versetzten Asphären 46 und 48 zu erzielen.
10c) zeigt den umgekehrten Fall, dass das erste optische Element 42 relativ zum zweiten optischen Element 44 in entgegengesetzter Richtung zu 10b) in Richtung eines Pfeiles 52 translatorisch lageverstellt ist.
Die optische Wirkung, die durch relatives Lageverstellen des ersten optischen Elements 42 zum zweiten optischen Element 44 auftritt, hängt von der Wahl der Form der ersten Asphäre 46 und der zweiten Asphäre 48 ab.
Weist beispielsweise der Linienfokus F gemäß 5 eine quadratische Durchbiegung in der xz-Ebene auf, ist zumindest eine der beiden Asphären 46 und/oder 48 von der Form A_1,2(x, y), die einen Term x²y³ enthält. Bei einer translatorischen Lageverstellung des ersten optischen Elements 42 relativ zum zweiten optischen Element 44 in Richtung der zweiten Dimension y um eine Strecke Δy wird somit ein Differenzterm erzeugt, der proportional zu Δyx²y² ist, der gerade geeignet ist, eine quadratische Durchbiegung des Linienfokus zu kompensieren.
Wenn die Durchbiegung des Linienfokus F gemäß 5 beispielsweise nicht quadratisch ist, sondern einen Verlauf dritter Ordnung (~ x³) aufweist, kann auch zur Korrektur eines solchen Verlaufs des Linienfokus eine Asphäre von der Form A_1,2(x, y) verwendet werden, die einen Term ~ x²y³ enthält, wobei dann das erste optische Element 42 relativ zu dem zweiten optischen Element 44 nicht translatorisch in Richtung der zweiten Dimension y verschoben wird, sondern um die Ausbreitungsrichtung z gedreht wird. Der Versatz Δy(x) der beiden Asphären 46 und 38 in Richtung der zweiten Dimension y hängt dann zusätzlich linear von x ab: Δy(x) Δr_zx, wobei Δr_z der relative Drehwinkel um die Achse z ist, so dass ein Differenzterm erzeugt wird, der proportional zu Δr_zx³y² ist. Somit kann ein Verlauf des Linienfokus, der proportional zu x³ ist, korrigiert werden.
Als weiteres Beispiel für die erste Asphäre 46 und/oder die zweite Asphäre 48 ist eine Asphäre von der Form A_1,2(xy), die einen Term ~ xy³ enthält, zu nennen, die bei einer translatorischen Relativverschiebung des ersten optischen Elements 42 zum zweiten optischen Element 44 in y-Richtung einen Kipp des Linienfokus F und bei Verdrehung des ersten optischen Elements 42 relativ zu dem zweiten optischen Element 44 um die Ausbreitungsrichtung z eine quadratische Durchbiegung des Linienfokus F korrigiert. Beliebige andere zu korrigierende Verläufe des Linienfokus F, die durch translatorische Relativbewegung und/oder Verdrehung der optischen Elemente 42 und 44 zueinander in ihrer Amplitude eingestellt werden können, sind durch allgemeinere Asphären der Form A_1,2(xy) ~ f_1,2(x)g_1,2(y) möglich, wobei insbesondere g_1,2(y) einen Term ~ y³ enthält.
Wie in 7 dargestellt ist, lassen sich somit Verläufe des Linienfokus F kontinuierlich und dynamisch korrigieren, wie mit einem Pfeil 54 dargestellt ist, damit der Linienfokus F in der xz-Ebene an der Oberfläche des Substrats S so gerade wie möglich ist.
Wieder mit Bezug auf 6 ist der Fokusmanipulator 40 bezüglich der korrigierenden Wirkung auf den Verlauf des Linienfokus in der ersten Dimension x zu einer Feldebene, hier der Bildebene B, optisch nah angeordnet.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind beide optischen Elemente 42 und 44 optisch nah zur Bildebene B angeordnet. Insbesondere sind hier die beiden optischen Elemente 42 und 44 zwischen der Fokussieroptik 38 und der Bildebene B angeordnet.
In 8 und 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Systems 60 zum Erzeugen eines Linienfokus F in einer Bildebene B, in der ein Substrat S angeordnet ist, aus einem Lichtstrahl 62 dargestellt. Das optische System 60 ist in 8 in der xz-Ebene und in 9 in der yz-Ebene dargestellt.
Das optische System 60 weist eine Strahlaufweitungsoptik 64 und eine Fokussieroptik 66 auf, wobei im Unterschied zu dem optischen System 30 die Fokussieroptik 66 eine reflektive Optik ist und zwei Spiegel 68 und 70 aufweist.
Das optische System 60 weist ebenfalls einen Fokusmanipulator 72 zum kontinuierlichen Korrigieren des Verlaufs des Linienfokus F auf, wobei der Fokusmanipulator 72 ein erstes optisches Element 74 und ein zweites optisches Element 76 aufweist, wobei das erste optische Element 74 und das zweite optische Element 76 relativ zueinander lageverstellbar sind.
Das erste optische Element 74 weist eine erste Asphäre 78 auf und das zweite optische Element 76 weist eine zweite Asphäre 80 auf, wobei die Asphären später noch beschrieben werden.
Das erste optische Element 74 ist hier vorzugsweise ein Strahlteiler, der in dem optischen System 60 dazu vorgesehen ist, einen Teilstrahl 62' des Lichtstrahls 62 auszukoppeln, um beispielsweise Intensitätsmessungen und Strahlqualitätsmessungen an dem ausgekoppelten Teilstrahl 62' vorzunehmen.
Das zweite optische Element 76 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Abschlussfenster, das zwischen dem zweiten Spiegel 70 und der Bildebene B angeordnet ist. Bei dem optischen System 60 ist somit nur das optische Element 76 zwischen der Fokussieroptik 66 und der Bildebene B angeordnet.
Zur relativen Lageverstellung der optischen Elemente 74 und 76 ist es bevorzugt, dass das zweite optische Element 76 (Abschlussfenster) unbeweglich ist, während das erste optische Element 74 (Strahlteiler) lageverstellbar ist, insbesondere translatorisch in Richtung der zweiten Dimension y verschiebbar und/oder um die lokale Ausbreitungsrichtung z verdrehbar.
Die obige Beschreibung der Asphären 46 und 48 der optischen Elemente 42 und 44 des Fokusmanipulators 40 des optischen Systems 30 gilt in der Allgemeinheit auch für die Asphären 78 und 80 der optischen Elemente 74 und 76 des optischen Systems 60.
Mit Bezug auf die weiteren 11 bis 14 werden konkrete Beispiele für die Asphären 46 und 48 beschrieben.
In 11 ist für einen am äußersten Rand in der ersten Dimension x befindlichen Punkt x₀ = x_max die Form der Asphäre A₁ (x₀, y) der Asphäre 78 des optischen Elements 74 dargestellt. Wie aus 11 hervorgeht, ist die Asphäre von der Form A₁ (x₀, y), die einen Term ~ y³ enthält. Die gezeigte Asphäre ist von der Form y³ – ay.
In 13 ist die vollständige Asphäre A₁ (x, y) aus 11 dargestellt. Die in 13 dargestellte Asphäre A₁ (x, y) (das gleiche gilt für die in 14 bis 16 dargestellten Asphären) weist in Richtung der Achsen x und y jeweils eine Erstreckung auf, die dem Querschnitt des Lichtstrahls in Richtung dieser beiden Achsen x und y an der Position des jeweiligen optischen Elements 74 bzw. 76 entspricht.
Bei einer translatorischen Verschiebung des optischen Elements 74 in Richtung der zweiten Dimension y kann somit ein quadratischer Verlauf des Linienfokus F in der Bildebene B kompensiert bzw. korrigiert werden.
Die Asphäre A₂ (x, y) des optischen Elements 76 ist dabei komplementär zu der Asphäre A₁ (x, y), so dass es eine Nulllage des Fokusmanipulators 72 gibt, in der der Fokusmanipulator keine optische Wirkung auf den Linienfokus F ausübt.
Die in 14 dargestellt Asphäre A₁ (x, y) ist gegenüber der Asphäre A₁ (x, y) gemäß 13 dadurch abgewandelt, dass zu der Asphäre A₁ in 13 eine konstante Asphäre hinzuaddiert wurde, die die Asphäre A₁ am Feldrand (x₀ = x_max) zu 50% kompensiert und eine entsprechende entgegengesetzte Asphäre in der Feldmitte (x₀ = 0) erzeugt. Die dazugehörige Asphäre A₂ (x, y) ist zu der Asphäre A₁ (x, y) wiederum komplementär.
12 zeigt nun den Fall, dass die Asphäre A₂ des optischen Elements 76 zusätzlich zu dem komplementären Beitrag zur Asphäre A₁ des optischen Elements 74 einen Beitrag enthält, der eine Grundkorrektur der Fokusdurchbiegung durch einen zusätzlichen Asphärenterm ~ x²y² bewirkt. Es versteht sich, dass die Asphäre A₂ anstatt auf dem optischen Element 76 auf dem optischen Element 74 vorhanden sein kann, während dann die Asphäre A₁ auf dem optischen Element 76 vorhanden ist. In 12 ist die Asphäre A₂ wiederum vergleichbar zu 11 nur an einem Randpunkt x₀ = x_max in Abhängigkeit von der zweiten Dimension y gezeigt. Wie aus 12 hervorgeht, ist hier A₂ (x₀, y) von der Form, die einen Term ~ –y² enthält.
15 zeigt nun die vollständige Asphäre A₂ (x, y) der Asphäre A₂ gemäß 12. Durch die Asphäre A₂ (x, y) wird im Wesentlichen ein Verlauf des Linienfokus F von der Form ~ x²y² kompensiert bzw. korrigiert. Es handelt sich hierbei im Wesentlichen um eine statische Grundkorrektur des Verlaufs des Linienfokus.
16 zeigt eine Abwandlung der Asphäre A₂ (x, y) in 15, wobei zu der Asphäre A₂ (x, y) in 15 eine konstante Asphäre hinzuaddiert wurde, wie dies bereits mit Bezug auf 14 für die Asphäre A₁ (x, y) beschrieben wurde.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Asphären A₁, A₂ beschrieben, die von der Form sind, die einen Term ~ y³ enthalten. Prinzipiell besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Asphäre für die optischen Elemente 74 und 76 zu verwenden, die einen Term ~ y²x³ enthalten, wobei dann die optischen Elemente 74 und 76 nicht in Richtung der y-Achse relativ zueinander verschoben werden, sondern in Richtung der x-Achse.

Claims

Optisches System zum Erzeugen eines Linienfokus (F) in einer Bildebene (B) aus einem Lichtstrahl (32; 62), der sich entlang einer Ausbreitungsrichtung (z) ausbreitet, mit einer Strahlaufweitungsoptik (36; 64), die den Lichtstrahl (32; 62) in einer ersten Dimension (x) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z) aufweitet, und mit einer Fokussieroptik (38; 66), die den Lichtstrahl (32; 62) in einer zweiten Dimension (y) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z) und senkrecht zur ersten Dimension (x) in die Bildebene (B) in Form des Linienfokus (F) fokussiert, wobei der Linienfokus (F) in der ersten Dimension (x) eine Abmessung (L) aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Abmessung (W) des Linienfokus (F) in der zweiten Dimension (y), gekennzeichnet durch einen Fokusmanipulator (40; 72) zum kontinuierlichen Korrigieren des Verlaufs des Linienfokus (F), der ein erstes und zumindest ein zweites optisches Element (42, 44; 74, 76) aufweist, wobei das erste optische Element (42; 74) eine erste Asphäre (46; 78) und das zweite optische Element (44; 76) eine zweite Asphäre (48; 80) aufweist, und wobei das erste optische Element (42; 74) und das zweite optische Element (44; 76) zum kontinuierlichen Korrigieren des Verlaufs des Linienfokus (F) relativ zueinander lageverstellbar sind.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (42; 74) und/oder das zweite optische Element (44; 76) bezüglich der korriegierenden Wirkung auf den Verlauf des Linienfokus (F) in der ersten Dimension (x) zu einer Feldebene (B) optisch nah angeordnet ist/sind.
Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldebene (B) die Bildebene (B) ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (42) und/oder das zweite optische Element (44; 76) in der Fokussieroptik oder zwischen der Fokussieroptik (38; 66) und der Bildebene (B) angeordnet ist/sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (42; 74) und das zweite optische Element (44; 76) relativ zueinander in Richtung der ersten Dimension (x) und/oder der zweiten Dimension (y) translatorisch verschiebbar sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (42; 74) und das zweite optische Element (44; 76) relativ zueinander um eine Achse parallel zur Lichtausbreitungsrichtung (z) verdrehbar sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Asphäre (46; 78) und/oder die zweite Asphäre (48; 80) von der Form A_1,2(x, y) ~ f_1,2(x) g_1,2(y) ist, wobei A_1,2 die Amplitude der ersten oder zweiten Asphäre (46, 48; 78, 80) in der Ausbreitungsrichtung (z), x die Koordinate in der ersten Dimension (x) und y die Koordinate in der zweiten Dimension (y) und f_1,2 und g_1,2 Funktionen sind, die an den zu korrigierenden Verlauf des Linienfokus (F) angepasst sind.
Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass g_1,2(y) einen Term ~ y³ enthält.
Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Asphäre (46; 78) und/oder die zweite Asphäre (48; 80) von der Form A_1,2(x, y) ist, die einen Term ~ x²y³ enthält.
Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Asphäre (46; 78) oder die zweite Asphäre (48; 80) von der Form A_1,2(x, y) ist, die einen Term ~ xy³ enthält.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Asphäre (46; 78) und die zweite Asphäre (48; 80) komplementär zueinander sind.
Vorrichtung zum Behandeln eines Substrats mit einem Lichtstrahl (32; 62) in Form eines Linienfokus (F), gekennzeichnet durch ein optisches System (30; 60) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Vorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin mit einem Strahlteiler zum Auskoppeln eines Teils der Lichtenergie aus dem Lichtstrahl, und mit einem Abschlussfenster zwischen der Fokussieroptik und der Bildebene, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler das erste optische Element (74) und das Abschlussfenster das zweite optische Element (76) bildet.