DE102016104331B3 - Lighting device and method for spatially periodic patterning of a surface - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung zur Musterung einer Oberfläche eines in einer Probenebene (P) positionierten Substrates (26) durch Bestrahlung der Substratoberfläche mit einem dem einzubringenden Muster entsprechenden Beleuchtungsmuster einer Energiedichte oberhalb einer Prozessschwelle der Substratoberfläche, umfassend – einen Seed-Laser (12) zur Erzeugung eines Seed-Strahls (14), – einen dynamischen Strahlmodulator (16) zur räumlichen Modulation des Seed-Strahls (14), – eine erste Abbildungsoptik (18) zur Abbildung des dynamischen Strahlmodulators (16) in einem Zwischenbild (20) in einer Zwischenbildebene (Z), – einen im Strahlengang zwischen dem dynamischen Strahlmodulator (16) und der Zwischenbildebene (Z) angeordneten laseroptischen Verstärker (22) und – eine zweite Abbildungsoptik (24) zur Abbildung des Zwischenbildes (20) in die Probenebene (P). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Strahlengang zwischen der zweiten Abbildungsoptik (24) und der Probenebene (P) ein Gitter-Interferometer (32) angeordnet ist.The invention relates to an illumination device for patterning a surface of a substrate (26) positioned in a sample plane (P) by irradiating the substrate surface with an illumination pattern corresponding to the pattern to be introduced having an energy density above a process threshold of the substrate surface, comprising a seed laser (12 ) for generating a seed beam (14), - a dynamic beam modulator (16) for spatially modulating the seed beam (14), - a first imaging optics (18) for imaging the dynamic beam modulator (16) in an intermediate image (20) in an intermediate image plane (Z), - in the beam path between the dynamic beam modulator (16) and the intermediate image plane (Z) arranged laser optical amplifier (22) and - a second imaging optics (24) for imaging the intermediate image (20) in the sample plane (P ). The invention is characterized in that a grating interferometer (32) is arranged in the beam path between the second imaging optics (24) and the sample plane (P).
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsvorrichtung zur Musterung einer Oberfläche eines in einer Probenebene positionierten Substrates durch Bestrahlung der Substratoberfläche mit einem dem einzubringenden Muster entsprechenden Beleuchtungsmuster einer Energiedichte oberhalb einer Prozessschwelle der Substratoberfläche, umfassend
- – einen Seed-Laser zur Erzeugung eines Seed-Strahls,
- – einen dynamischen Strahlmodulator zur räumlichen Modulation des Seed-Strahls,
- – eine erste Abbildungsoptik zur Abbildung des dynamischen Strahlmodulators in einem Zwischenbild in einer Zwischenbildebene,
- – einen im Strahlengang zwischen dem dynamischen Strahlmodulator und der Zwischenbildebene angeordneten laseroptischen Verstärker und
- – eine zweite Abbildungsoptik zur Abbildung des Zwischenbildes in die Probenebene.
- A seed laser for generating a seed beam,
- A dynamic beam modulator for spatially modulating the seed beam,
- A first imaging optics for imaging the dynamic beam modulator in an intermediate image in an intermediate image plane,
- - In the beam path between the dynamic beam modulator and the intermediate image plane arranged laser optical amplifier and
- - A second imaging optics for mapping the intermediate image in the sample plane.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Betrieb insbesondere einer derartigen Beleuchtungsvorrichtung.The invention further relates to a method for operating in particular such a lighting device.
Stand der TechnikState of the art
Eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung ist bekannt aus der
Die genannte Druckschrift offenbart eine Vorrichtung zur Belichtung eines mit Photoresist beschichteten Substrats mit einem Beleuchtungsmuster. Hierzu wird der Strahl einer Laser-Lichtquelle zunächst durch einen dynamischen Strahlmodulator räumlich moduliert. Unter einem dynamischen Strahlmodulator sei hier allgemein eine optische Vorrichtung verstanden, mit welcher die räumliche Intensitätsverteilung des Querschnitts eines Lichtstrahls variabel moduliert werden kann. Dem Fachmann sind sowohl transmissive als auch reflektive Varianten bekannt. Rein beispielhaft für die erstere Bauart sei ein Flüssigkristall-Display (LCD) genannt, welches je nach individueller Ansteuerung seiner Pixel entsprechende Anteile des Lichtstrahls passieren lässt oder absorbiert. Rein beispielhaft für die letztere Bauart sei ein Mikrospiegel-Array (MMA) genannt, welches je nach individueller Kippstellung seiner Mikrospiegel entsprechende Anteile des Lichtstrahls entweder in den Strahlengang oder aus dem Strahlengang heraus reflektiert. Der Einfachheit halber sei in allen Fällen von der AN-Stellung des entsprechenden Lichtleitelementes des dynamischen Strahlmodulators gesprochen, wenn der entsprechende Anteil des Lichtstrahls in den Strahlengang geleitet wird, und von der AUS-Stellung des Lichtleitelementes, wenn der entsprechende Anteil des Lichtstrahls aus dem Strahlengang entfernt wird.The cited document discloses an apparatus for exposing a photoresist-coated substrate to a lighting pattern. For this purpose, the beam of a laser light source is first spatially modulated by a dynamic beam modulator. In this case, a dynamic beam modulator is generally understood to mean an optical device with which the spatial intensity distribution of the cross section of a light beam can be variably modulated. The person skilled in both transmissive and reflective variants are known. Purely by way of example of the former type is a liquid crystal display (LCD) called, which can happen depending on the individual control of its pixels corresponding portions of the light beam or absorbed. Purely by way of example of the latter type is a micromirror array (MMA), which, depending on the individual tilt position of its micromirrors, reflects corresponding portions of the light beam either into the beam path or out of the beam path. For the sake of simplicity, the AN position of the corresponding light-guiding element of the dynamic beam modulator should be mentioned in all cases when the corresponding portion of the light beam is directed into the beam path, and from the OFF position of the light-guiding element, if the corresponding portion of the light beam from the beam path Will get removed.
Bei der bekannten Vorrichtung wird der derart modulierte Laserstrahl als Seed-Strahl in eine laseroptische Verstärkereinheit eingespeist, die die Lichtintensität des Strahls unter Beibehaltung seiner räumlichen Modulation verstärkt. Dem Fachmann sind Verstärkungen um einen Faktor von ca. 100 bekannt.In the known device, the thus modulated laser beam is fed as a seed beam into a laser-optical amplifier unit, which amplifies the light intensity of the beam while maintaining its spatial modulation. Reinforcements by a factor of about 100 are known to those skilled in the art.
Mittels einer ersten Abbildungsoptik wird der dynamische Strahlmodulator in ein Zwischenbild in einer Zwischenbildebene abgebildet, wobei die laseroptische Verstärkereinheit zwischen dem dynamischen Strahlmodulator und der Zwischenbildebene angeordnet ist. Das Zwischenbild repräsentiert somit ein verstärktes Bild des dynamischen Strahlmodulators.By means of a first imaging optics, the dynamic beam modulator is imaged in an intermediate image in an intermediate image plane, wherein the laser optical amplifier unit is arranged between the dynamic beam modulator and the intermediate image plane. The intermediate image thus represents an amplified image of the dynamic beam modulator.
In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, den Seed-Strahl mittels des dynamischen Strahlmodulators spaltenartig zu modulieren. Das Zwischenbild ist demnach aus einer alternierenden Folge von hellen und dunklen Bildspalten aufgebaut. Mittels einer zweiten Abbildungsoptik wird das Zwischenbild auf die Probenoberfläche abgebildet, wobei die zweite Abbildungsoptik eine Zylinderoptik enthält, welche das Zwischenbild bei seiner Abbildung in die Probenebene parallel zu den Bildspalten komprimiert. Mit anderen Worten wird jede helle Bildspalte des Zwischenbildes zu einem hellen Bildpunkt in der Probenebene komprimiert; jede dunkle Bildspalte des Zwischenbildes wird zu einem dunklen Bildpunkt in der Probenebene komprimiert. Das Bild in der Probenebene ist daher als eine lineare, alternierende Folge heller und dunkler Bildpunkte ausgestaltet.In the cited document is proposed to modulate the seed beam by means of the dynamic beam modulator column-like. The intermediate image is therefore constructed from an alternating sequence of light and dark image columns. By means of a second imaging optics, the intermediate image is imaged onto the sample surface, wherein the second imaging optics includes a cylinder optic which compresses the intermediate image parallel to the image columns when it is imaged into the sample plane. In other words, each bright image column of the intermediate image is compressed to a bright pixel in the sample plane; each dark image column of the intermediate image is compressed to a dark pixel in the sample plane. The image in the sample plane is therefore designed as a linear, alternating sequence of light and dark pixels.
Um die Substrat-Oberfläche flächig zu bearbeiten, wird das Substrat senkrecht zur Erstreckung des linienförmigen Bildes, d. h. parallel zur Kompressionsrichtung der Zylinderoptik verfahren. Durch Änderung der Ansteuerung des dynamischen Strahlmodulators lässt sich somit auf der Substratoberfläche eine rasterartig gemusterte Oberflächenmodifikation erzeugen. Bei der bekannten Vorrichtung erfolgt die Oberflächenmodifikation durch Belichtung einer lichtempfindlichen Photoresist-Beschichtung des Substrates. Denkbar ist, hinreichende Engeriedichte vorausgesetzt, auch eine Oberflächenmodifikation durch Laserablation o. ä..In order to process the substrate surface flat, the substrate is perpendicular to the extension of the line-shaped image, d. H. move parallel to the compression direction of the cylinder optics. By changing the control of the dynamic beam modulator can thus be generated on the substrate surface a grid-like patterned surface modification. In the known device, the surface modification is carried out by exposure of a photosensitive photoresist coating of the substrate. It is conceivable, assuming sufficient Engeriedichte, also a surface modification by laser ablation o. Ä ..
Insbesondere im Kontext von fälschungssicheren Markierungen ist eine extrem feine Musterung der Substratoberfläche gefragt. Hier stößt die zuvor beschriebene, bekannte Technik recht bald an Grenzen. Zur Ausbildung einer dem beschriebenen Rastermuster überlagerten Feinstruktur würde es eines feiner strukturierenden Strahlmodulators und/oder einer stärker verkleinernden Abbildungsoptik bedürfen. Ersteres ist technisch derzeit nicht machbar. Letzteres wäre zwar mit hohem Kostenaufwand für eine entsprechend präzise Optik realisierbar, hätte jedoch den Nachteil einer deutlichen Verkleinerung der Bearbeitungsfläche auf dem Substrat, was zu deutlich verlängerten Prozesszeiten führen würde.Particularly in the context of counterfeit-proof markings, an extremely fine patterning of the substrate surface is required. Here, the previously described, known technology soon reaches its limits. To form a fine structure superimposed on the described raster pattern, it would be a finely structured beam modulator and / or require a more compact imaging optics. The former is technically not feasible at the moment. The latter would indeed be feasible at a high cost for a correspondingly precise optics, but would have the disadvantage of a significant reduction of the processing area on the substrate, which would lead to significantly longer process times.
Zur räumlich periodischen Strukturierung von Substratoberflächen sind interferometrische Verfahren bekannt. Die in die Substratoberfläche einzubringende Musterstruktur ergibt sich dabei nicht durch (strahlenoptische) Abbildung einer Maske, sondern durch die Überlagerung gezielt erzeugter Teilstrahlen die durch konstruktive und destruktive Interferenz eine Intensitätsmodulation auf der Substratoberfläche erzeugen. Aus der
Aus der
Auch die
Aufgabenstellungtask
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung derart weiterzubilden, dass ohne erhebliche Mehrkosten eine feiner strukturierte Musterung der Substratoberfläche ermöglicht wird.It is the object of the present invention to further develop a generic lighting device such that a finer structured patterning of the substrate surface is made possible without significant additional costs.
Darlegung der ErfindungPresentation of the invention
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass im Strahlengang zwischen der zweiten Abbildungsoptik und der Probenebene ein Gitter-Interferometer angeordnet ist.This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1, characterized in that a grating interferometer is arranged in the beam path between the second imaging optics and the sample plane.
Kern der Erfindung ist es, durch Zwischenschaltung eines an sich bekannten Gitter-Interferometers in den Bereich hinter der zweiten Abbildungsoptik der gattungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung eine interferometrisch erzeugte Feinstruktur zu erzeugen, die das mittels des dynamischen Strahlmodulators erzeugte Rasterbild in jedem seiner hellen Bildpunkte überlagert. Die dunklen Bildpunkte hingegen bleiben unverändert dunkel. Dies führt zu extrem fälschungssicheren Mustern auf der Substratoberfläche, da die Feinstruktur sehr stark von den Eigenschaften des Gitter-Interferometers abhängt. Diese können ihrerseits während des Musterungsprozesses variiert werden, sodass sowohl im Hinblick auf die grundlegende Musterrasterung als auch im Hinblick auf die Feinstrukturierung eine extrem große Variationsmöglichkeit gegeben ist. Ein speziell gewähltes Muster ist somit einerseits schwer identifizierbar und andererseits nahezu unmöglich reproduzierbar, sofern nicht dieselbe Beleuchtungsvorrichtung und das selbe Betriebsverfahren genutzt werden, wie zur Herstellung des Original-Musters.The core of the invention is to produce an interferometrically generated fine structure by interposing a known grid interferometer in the area behind the second imaging optics of the generic illumination device, which superimposes the raster image generated by the dynamic beam modulator in each of its bright pixels. The dark pixels, however, remain dark. This leads to extremely forgery-proof patterns on the substrate surface, since the fine structure very much depends on the properties of the grating interferometer. These can in turn be varied during the patterning process, so that there is an extremely wide range of possible variations both in terms of basic pattern screening and in terms of fine structuring. A specially selected pattern is thus difficult to identify on the one hand and almost impossible to reproduce on the other hand unless the same lighting device and the same operating method are used as for the production of the original sample.
Bevorzugt sind die Gitterebenen des Gitter-Interferometers parallel zur Probenebene ausgerichtet und sein ausgangsseitiges Gitter ist bevorzugt in einem dem Abstand seiner Gitter voneinander entsprechenden Abstand vor der Probenebene angeordnet.Preferably, the lattice planes of the grating interferometer are aligned parallel to the sample plane and its output-side lattice is preferably arranged in a distance of its lattice from each other corresponding distance in front of the sample plane.
Bevorzugt ist das Gitter-Interferometer in einem Strahlengang paralleler Strahlführung angeordnet. Ebenso bevorzugt ist der laseroptische Verstärker in einem Strahlengangabschnitt paralleler Strahlführung angeordnet. Dies lässt sich durch eine bevorzugte Konfiguration der ersten und der zweiten Abbildungsoptik realisieren, die weiter unten im Kontext des Ausführungsbeispiels beschrieben werden soll.The grating interferometer is preferably arranged in a beam path of parallel beam guidance. Likewise, the laser optical amplifier is preferably arranged in a beam path section of parallel beam guidance. This can be realized by a preferred configuration of the first and the second imaging optics, which will be described below in the context of the embodiment.
Obgleich die spezielle Ausbildung des dynamischen Strahlmodulators für den Kerngedanken der vorliegenden Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist, wird bevorzugt ein dynamischer Strahlmodulator mit zeilen- und spaltenweise angeordneten Lichtleitelementen verwendet, wie er grundsätzlich aus dem zitierten Stand der Technik bereits bekannt ist. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein programmierbares Mikrospiegel-Array mit zeilen- und spaltenweise angeordneten, verkippbaren Mikrospiegeln. In jedem Fall sollte der dynamische Strahlmodulator bevorzugt so ausgebildet sein, dass das Zwischenbild aus einer Vielzahl von zeilen- und spaltenweise angeordneten Bildpunkten aufgebaut ist, die entsprechend der jeweiligen Stellung des zugeordneten Lichtleitelementes, in dessen AN-Stellung, hell oder, in dessen AUS-Stellung, dunkel sind. Der Fachmann wird verstehen, dass die Begriffe ”Zeile” und ”Spalte” im Kontext der Strahlmodulation – gleich welchen technischen Ursprungs – nur zur Unterscheidung unterschiedlicher Modulations- bzw. Bilddimensionen dienen und keine Aussage über eine spezielle Ausrichtung etwa relativ zu einer Basis, auf der die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgebaut sein könnte, implizieren. Although the specific design of the dynamic beam modulator for the core idea of the present invention is of minor importance, a dynamic beam modulator is preferably used with row and column-wise arranged light-guiding elements, as it is already known in principle from the cited prior art. Particularly preferred is a programmable micromirror array with tiltable micromirrors arranged in rows and columns. In any case, the dynamic beam modulator should preferably be designed such that the intermediate image is made up of a multiplicity of pixels arranged in rows and columns which, in their ON position, are bright or, in the OFF position, corresponding to the respective position of the associated light-conducting element. Position, are dark. The person skilled in the art will understand that the terms "line" and "column" in the context of beam modulation - of whatever technical origin - only serve to distinguish different modulation or image dimensions and no statement about a specific orientation, for example relative to a base on the the device according to the invention could be constructed, imply.
Wie ebenfalls grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Abbildungsoptik eine das Zwischenbild bei seiner Abbildung in die Probenebene in Spaltenrichtung komprimierende Zylinderoptik umfasst. Die Wirkung dieser Maßnahmen wurde bereits ausführlich bei der Diskussion des Standes der Technik diskutiert.As is also known in principle from the prior art, it is preferably provided that the second imaging optics comprise a cylinder optic which compresses the intermediate image when it is being imageed in the sample plane in the column direction. The effect of these measures has already been extensively discussed in the discussion of the prior art.
Der Begriff der Abbildung ist in diesem Kontext jedoch weit zu verstehen. Insbesondere sollen zwei vorteilhafte Varianten der Erfindung umfasst sein. Bei einer ersten Variante ist vorgesehen, dass die Kompression der Zwischenbildes seiner Fokussierung in der Probenebene entspricht. Mit anderen Worten wird bei dieser Variante der Abstand zwischen der Zylinderoptik und der Probenebene so gewählt, dass die Probenebene im Bereich der Strahltaille in Spaltenrichtung liegt. Die Einzelabbildungen der einzelnen Mikrospiegel des als Strahlmodulator bevorzugt verwendeten Mikrospiegel-Arrays überlagern sich daher bei dieser Variante spaltenweise. Dies stellt die Grundlage für das weiter unten noch näher erläuterte, besonders vorteilhafte Betriebsverfahren dar.However, the concept of mapping is widely understood in this context. In particular, two advantageous variants of the invention should be included. In a first variant, it is provided that the compression of the intermediate image corresponds to its focusing in the sample plane. In other words, in this variant, the distance between the cylinder optics and the sample plane is selected such that the sample plane lies in the region of the beam waist in the column direction. The individual images of the individual micromirrors of the micromirror arrays preferably used as the beam modulator are therefore superimposed in columns in this variant. This constitutes the basis for the particularly advantageous operating method explained in more detail below.
Es ergibt sich also auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung als Bild in der Probenebene eine lineare, alternierende Abfolge heller und dunkler Bildpunkte, wobei die hellen Bildpunkte jedoch aufgrund des Gitter-Interferometers eine interferometrisch erzeugte Feinstruktur zeigen. Man beachte, dass diese Feinstruktur auch bei der zylinderoptischen Kompression der ursprünglichen, hellen Bildspalten erhalten bleibt. Dies erscheint als durchaus überraschendes Ergebnis.Thus, in this embodiment of the invention, a linear, alternating sequence of light and dark pixels also results as an image in the sample plane, the bright pixels, however, showing an interferometrically produced fine structure due to the grating interferometer. Note that this fine structure is retained even in the cylinder-optical compression of the original, bright image columns. This seems like a surprising result.
Bei einer anderen Variante der Erfindung ist hingegen vorgesehen, dass die Kompression der Zwischenbildes seiner in Spaltenrichtung überproportional verkleinernden Abbildung in der Probenebene entspricht. Mit anderen Worten wird die Zylinderoptik bei dieser Variante nicht zur spaltenweisen Überlagerung der Mikrospiegel-Einzelbilder verwendet, sondern zu deren in einer Dimension (nämlich in Spaltenrichtung) stärker als in der anderen Dimension (nämlich in Zeilenrichtung) verkleinerten, eine Separation der Einzelbilder beibehaltenden Abbildung. Dies kann durch eine durch eine entsprechende Wahl des Abstandes zwischen Zylinderoptik und Probenebene eingestellt werden, wobei die Probenebene außerhalb der Strahltaille zu liegen kommt.In another variant of the invention, however, it is provided that the compression of the intermediate image corresponds to its disproportionately decreasing in the column direction image in the sample plane. In other words, the cylinder optics is not used in this variant for the column-wise superimposition of micromirror frames, but to their in one dimension (namely in the column direction) greater than in the other dimension (namely in the row direction) reduced, a separation of the individual images retaining image. This can be adjusted by an appropriate choice of the distance between cylinder optics and sample plane, the sample plane comes to rest outside the beam waist.
Um die Substratoberfläche flächig zu mustern, kann selbstverständlich der aus dem Stand der Technik bekannte, lineare Vorschub des Substrats parallel zur Kompressionsrichtung der Zylinderlinse genutzt werden. Eine Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht jedoch alternativ oder zusätzlich dazu vor, dass die zweite Abbildungsoptik eine Strahlverschwenkungseinheit umfasst, mittels derer der vom Zwischenbild bei seiner Abbildung in die Probenebene kommende Strahl parallel zur Kompressionsrichtung der Zylinderoptik verschwenkbar ist. Beispielsweise kann hierzu ein galvanischer Umlenkspiegel genutzt werden. Dieser ist bevorzugt im Strahlengang vor der Zylinderoptik und damit auch vor dem Gitter-Interferometer angeordnet. Die Verschwenkung eines Umlenkspiegels kann präziser und schneller erfolgen als die lineare mechanische Bewegung der Probe selbst. Auf diese Weise wird wertvolle Prozesszeit eingespart.In order to pattern the surface of the substrate, it is of course possible to use the linear feed of the substrate known from the prior art parallel to the direction of compression of the cylindrical lens. However, a development of the present invention provides, as an alternative or in addition, to the second imaging optics comprising a beam-swiveling unit, by means of which the beam coming from the intermediate image when it is being imaged into the sample plane can be pivoted parallel to the compression direction of the cylinder optics. For example, a galvanic deflection mirror can be used for this purpose. This is preferably arranged in the beam path in front of the cylinder optics and thus also in front of the grating interferometer. The pivoting of a deflection mirror can be more precise and faster than the linear mechanical movement of the sample itself. In this way valuable process time is saved.
Bei der Auswahl der Laser-Lichtquelle steht dem Fachmann ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten zur Verfügung. Bei einer speziellen Ausführungsform ist der Seed-Laser als ein Ultrakurzpulslaser ausgebildet. Dies führt zu besonders hohen Energiedichten, mit denen sich auch hohe Prozessschwellen eines Substrates überwinden lassen. Nachteilig dabei ist jedoch die hohe Belastung des laseroptischen Verstärkers, der bei derartigen Energiedichten Schaden nehmen könnte. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass im Strahlengang vor dem dynamischen Strahlmodulator ein laseroptischer Puls-Strecker und im Strahlengang zwischen dem laseroptischen Verstärker und der Zwischenbildebene ein laseroptischer Puls-Kompressor angeordnet ist. Mit anderen Worten wird ein vom Seed-Laser imitierter Ultrakurzpuls mittels des laseroptischen Puls-Streckers gestreckt, was seine Energiedichte reduziert. Nach Modulation im dynamischen Strahlmodulator und Verstärkung im laseroptischen Verstärker erfolgt mittels des laseroptischen Puls-Kompressors eine Rekomprimierung des nunmehr verstärkten Pulses und damit eine Erhöhung seiner Energiedichte.When selecting the laser light source, a wide range of possible variations is available to the person skilled in the art. In a specific embodiment, the seed laser is designed as an ultrashort pulse laser. This leads to particularly high energy densities, with which even high process thresholds of a substrate can be overcome. The disadvantage here, however, is the high load of the laser optical amplifier, which could take damage at such energy densities. In a further development of the invention, it is therefore provided that a laser-optical pulse expander and in the beam path between the laser-optical amplifier and the intermediate image plane, a laser-optical pulse compressor is arranged in the beam path in front of the dynamic beam modulator. In other words, an ultrashort pulse imitated by the seed laser is stretched by means of the laser-optical pulse-extensor, which reduces its energy density. After modulation in the dynamic beam modulator and amplification in the laser optical amplifier by means of the laser optical Pulse compressor a recompression of the now amplified pulse and thus an increase in its energy density.
In Fällen, in denen als Seed-Laser ein Festkörperlaser mit typischerweise recht langwelliger Ausgangsstrahlung genutzt wird, ist bevorzugt vorgesehen, im Strahlengang zwischen dem dynamischen Strahlmodulator und dem laseroptischen Verstärker einen optischen Frequenzvervielfacher anzuordnen. Günstiger Weise wird der optische Frequenzvervielfacher im Bereich einer Strahltaillenverengung des Seed-Strahls angeordnet. Hintergrund dieser Maßnahme ist, dass für viele Bearbeitungsanwendungen Bearbeitungslicht im UV-Bereich benötigt wird. Dies trifft einerseits bei vielen optisch transparenten Substraten zu. Andererseits lassen sich mit kürzeren Wellenlängen feinere Interferenzstrukturen erzeugen als mit längeren Wellenlängen. Festkörperlaser emittieren jedoch vorwiegend im infraroten Bereich. Durch die vorgeschlagene Frequenzvervielfachung können auch kostengünstige Festkörperlaser mit ihren hohen Pulsraten eingesetzt werden. In Fällen ohne Frequenzvervielfacher stellen Excimer-Laser eine günstige Lichtquellenwahl dar.In cases where a solid-state laser with typically quite long-wave output radiation is used as a seed laser, it is preferably provided to arrange an optical frequency multiplier in the beam path between the dynamic beam modulator and the laser-optical amplifier. Conveniently, the optical frequency multiplier is arranged in the region of a beam waist narrowing of the seed beam. The background to this measure is that processing light in the UV range is required for many processing applications. On the one hand, this applies to many optically transparent substrates. On the other hand, finer interference structures can be generated with shorter wavelengths than with longer wavelengths. However, solid-state lasers emit predominantly in the infrared range. The proposed frequency multiplication also low-cost solid-state lasers can be used with their high pulse rates. In cases without frequency multipliers, excimer lasers represent a favorable choice of light source.
Es hat sich heraus gestellt, dass aufgrund unterschiedlicher Ursachen eine unerwünschte Inhomogenität der Intensitätsverteilung zwischen den Bildpunkten des Bildes in der Probenebene auftreten kann. Als Gründe hierfür kommen insbesondere Inhomogenitäten im Seed-Strahl, eine inhomogene Laser-Verstärkung und Imperfektionen der eingesetzten Optiken infrage. Dies tritt umso mehr zu Tage, wenn ein laseroptischer Verstärker verwendet wird, der seinerseits zu weiteren Inhomogenitäten beitragen kann. Zur Erzielung einer verbesserten Homogenität der Intensitätsverteilung zwischen den hellen Bildpunkten des Bildes in der Probenebene kann das eingangs bereits erwähnte, erfindungsgemäße Betriebsverfahren genutzt werden. Es ist dies ein Verfahren zur Musterung einer Oberfläche eines in einer Probenebene positionierten Substrates durch Bestrahlung der Substratoberfläche mit einem dem einzubringenden Muster entsprechenden Beleuchtungsmuster einer Energiedichte oberhalb einer Prozessschwelle der Substratoberfläche mittels einer Beleuchtungsvorrichtung, welche umfasst:
- – einen Seed-Laser zur Erzeugung eines Seed-Strahls,
- – einen dynamischen Strahlmodulator zur räumlichen Modulation des Seed-Strahls,
- – eine erste Abbildungsoptik zur Abbildung des dynamischen Strahlmodulators in einer Zwischenbildebene,
- – eine zweite Abbildungsoptik zur Abbildung des Zwischenbildes in die Probenebene, wobei der dynamische Strahlmodulator eine Vielzahl von zeilen- und spaltenweise angeordneten Lichtleitelementen aufweist, mittels derer entsprechende Lichtanteile des Seed-Strahls entweder, in AN-Stellung, eines Lichtleitelements entlang des Strahlengangs leitbar oder, in seiner AUS-Stellung, aus dem Strahlengang entfernbar sind, sodass das Zwischenbild aus einer Vielzahl von zeilen- und spaltenweise angeordnete Bildpunkten aufgebaut ist, die entsprechend der jeweiligen Stellung des zugeordneten Lichtleitelementes entweder in dessen AN-Stellung hell oder in dessen AUS-Stellung dunkel sind, und wobei die zweite Abbildungsoptik eine das Zwischenbild bei seiner Abbildung in die Probenebene in Spaltenrichtung komprimierende Zylinderoptik aufweist, umfassend die Schritte:
- – zunächst Ansteuern des dynamischen Strahlmodulators, sodass das Zwischenbild eine alternierende Folge heller und dunkler Bildspalten enthält, und
- – sodann iterativ • Messen und Miteinander-Vergleichen der Beleuchtungsintensitäten jedes aus der Kompression einer hellen Bildspalte resultierenden, hellen Bildpunktes in der Probenebene, • falls die Intensität eines der hellen Bildpunkte größer ist als die Intensität eines anderen der hellen Bildpunkte: Umschalten eines Lichtleitelementes in der zugeordneten Spalte des dynamischen Strahlmodulators von seiner AN-Stellung in seine AUS-Stellung, bis eine innerhalb vorgegebener Grenzen homogene Intensitätsverteilung zwischen den hellen Bildpunkten in der Probenebene erreicht ist.
- A seed laser for generating a seed beam,
- A dynamic beam modulator for spatially modulating the seed beam,
- A first imaging optics for imaging the dynamic beam modulator in an intermediate image plane,
- A second imaging optics for imaging the intermediate image in the sample plane, wherein the dynamic beam modulator has a plurality of line and column-wise arranged light-guiding elements, by means of which corresponding light components of the seed beam can be conducted either in the ON position of a light-conducting element along the beam path or in its OFF position, are removed from the beam path, so that the intermediate image is constructed of a plurality of row-and column-wise arranged pixels, the dark according to the respective position of the associated light-guiding element either in its ON position dark or in its OFF position and wherein the second imaging optics has a cylinder optic which compresses the intermediate image as it is being imageed in the sample plane in the column direction, comprising the steps:
- - Initially driving the dynamic beam modulator, so that the intermediate image contains an alternating sequence of light and dark image columns, and
- - then iteratively • measuring and comparing the illumination intensities of each resulting from the compression of a bright image column, bright pixel in the sample plane, • if the intensity of one of the bright pixels is greater than the intensity of another of the bright pixels: switching a light guide in the associated column of the dynamic beam modulator from its ON position to its OFF position until within a given limits homogeneous intensity distribution between the bright pixels in the sample plane is reached.
Dieses Verfahren nutzt den Umstand aus, dass jeder helle Bildpunkt auf der Substratoberfläche als Integration der Lichtstrahlanteile einer ganzen Spalte angeschalteter Lichtleitelemente des dynamischen Strahlmodulators verstanden werden kann. Ausschalten eines oder mehrerer Lichtleitelemente einer solchen Spalte führt zu einer Reduzierung der Gesamtintensität des korrespondierenden Bildpunktes in der Probenebene. Das vorgeschlagene Betriebsverfahren sieht daher vor, zunächst die hellen Bildpunkte in der Probenebene auf ihre Homogenität hin zu überprüfen. Stellt sich heraus, dass einer dieser Bildpunkte heller als wenigstens ein anderer Bildpunkt ist, kann er durch Ausschalten eines Lichtleitelementes der zugeordneten Spalte von Lichtleitelementen gedimmt werden. Eine erneute Überprüfung der Homogenität der Intensitätsverteilung zwischen den hellen Bildpunkten in der Probenebene zeigt, ob die Maßnahme den gewünschten Erfolg hatte, d. h. ob die Intensitäten der hellen Bildpunkte innerhalb einer vorgegebenen Toleranz homogen verteilt sind. Ist dies der Fall, endet das Homogenisierungsverfahren hier. Ist dies noch nicht der Fall, werden die erläuterten Vergleichs- und Ausschalt-Schritte iterativ so lange wiederholt, bis das Ziel erreicht ist.This method makes use of the circumstance that each bright pixel on the substrate surface can be understood as an integration of the light beam components of an entire column of connected light-conducting elements of the dynamic beam modulator. Switching off one or more light-guiding elements of such a column leads to a reduction of the overall intensity of the corresponding image point in the sample plane. The proposed operating method therefore provides first to check the bright pixels in the sample plane for their homogeneity. If it turns out that one of these pixels is brighter than at least one other pixel, it can be dimmed by switching off a light-guiding element of the associated column of light-guiding elements. A re-examination of the homogeneity of the intensity distribution between the bright pixels in the sample plane shows whether the measure had the desired result, ie. H. whether the intensities of the bright pixels are homogeneously distributed within a given tolerance. If this is the case, the homogenization process ends here. If this is not yet the case, the explained comparison and switch-off steps are repeated iteratively until the goal has been reached.
Dieses Homogenisierungsverfahren kann vor Beginn einer Oberflächenbearbeitung einer Probe erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, das Homogenisierungsverfahren während des Bearbeitungsprozesses durchzuführen, um eine ständige Nachregelung zu erzielen. Der Fachmann wird verstehen, dass es nicht zwingend notwendig ist, die Intensitäten der hellen Bildpunkte in der Probenebene selbst zu messen. Die Messung von ausgekoppelten, repräsentativen Strahlanteilen genügt hierzu vollkommen. This homogenization process can be carried out before starting a surface treatment of a sample. Alternatively or additionally, it is also possible to carry out the homogenization process during the machining process in order to achieve a constant readjustment. The person skilled in the art will understand that it is not absolutely necessary to measure the intensities of the bright pixels in the sample plane itself. The measurement of decoupled, representative beam proportions is sufficient for this purpose.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following specific description and the drawings.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
Ausführliche Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.Like reference numerals in the figures indicate like or analogous elements.
Mittels einer ersten Abbildungsoptik
Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die erste Abbildungsoptik
In diesem parallelen Strahlengangabschnitt ist ein laseroptischer Verstärker
Mittels einer zweiten Abbildungsoptik
Zur weiteren Modifikation der Abbildung wird der verstärkte Strahl
Hinter der Zylinderoptik
Wie oben bereits erwähnt ist der Umlenkspiegel
Der Fachmann wird verstehen, dass es typischerweise wünschenswert ist, wenn sämtliche Bildpunkte in der Probenebene die gleiche Energiedichte aufweisen, sodass eine gleichartige Bearbeitung der Substratoberfläche in jedem Bildpunkt erfolgt. Durch Imperfektionen im Seed-Strahl, im Verstärker
Bei der Verwendung von Ultrakurzpulslasern als Seed-Laser
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention. A broad range of possible variations will be apparent to those skilled in the art in light of the disclosure herein.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Beleuchtungsvorrichtunglighting device
- 1212
- Seed-LaserSeed laser
- 1414
- Seed-StrahlSeed-beam
- 14'14 '
- verstärkter Strahlreinforced beam
- 1616
- dynamischer Strahlmodulator, Mikroarray-Spiegldynamic beam modulator, microarray-Spiegl
- 1818
- erste Abbildungsoptikfirst imaging optics
- 181181
-
Kondensoroptik von
18 Condenser optics of18 - 182182
-
Hauptabbildungsoptik von
18 Main picture optics of18 - 2020
- Zwischenbildintermediate image
- 2222
- laseroptischer Verstärkerlaser optical amplifier
- 2424
- zweite Abbildungsoptiksecond imaging optics
- 241241
-
Kondensoroptik von
24 Condenser optics of24 - 242242
-
Hauptabbildungsoptik von
24 Main picture optics of24 - 2626
- Substratsubstratum
- 2828
- Strahlverschwenkungseinheit, schwenkbarer UmlenkspiegelBeam swiveling unit, swiveling deflecting mirror
- 3030
- Zylinderoptikcylindrical optics
- 3232
- Gitter-InterferometerGrid interferometer
- 3434
- VerschwenkungspfeilVerschwenkungspfeil
- 34'34 '
- Verschiebungspfeilshift arrow
- 3636
- Frequenzvervielfacherfrequency
- 3838
- Puls-StreckerPulse-Strecker
- 4040
- Puls-KompressorPulse compressor
- PP
- Probenebenesample plane
- ZZ
- ZwischenbildebeneIntermediate image plane
Claims (15)
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-
2016
- 2016-03-09 DE DE102016104331.1A patent/DE102016104331B3/en not_active Expired - Fee Related
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