DE4124311A1 - Anordnung zur kohaerenzreduktion und strahlformung eines laserstrahls - Google Patents
Anordnung zur kohaerenzreduktion und strahlformung eines laserstrahlsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kohärenzreduktion
und Strahlformung eines Laserstrahls.
Eine Anordnung zur Kohärenzreduktion ist aus US 47 44 615
bekannt in einer Ausführung mit einem Licht-Tunnel. Das Licht
muß divergent in den Licht-Tunnel eingespeist werden und
verläßt diesen stark divergent.
Aus J. Wangler, J. Liegl, Proc. ELO II Vol. 1138, p. 129,
Paris 1989 sind verschiedene Alternativen, bewegte Streu
scheibe, Linsenarray und nichtabbildender Konzentrator
die Verwendung bzw. der Bedarf für die UV-Lithografie be
schrieben.
In US 46 86 542 wird zur Aufspaltung eines Laserstrahls in
die Verwendung einer Planplatte mit einseitiger Vollverspie
gelung und einseitiger Teilverspiegelung mit seitwärts stu
fenweise reduziertem Reflexionsgrad beschrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Kohärenzre
duktion und Strahlformung eines Laserstrahls mit wenigen und
feststehenden optischen Elementen anzugeben, welches die
geringe Divergenz des Laserstrahls im wesentlichen nicht
verändert. Sie soll zur Verwendung in einer Beleuchtungsein
richtung zur Lithografie im tiefen Ultraviolett geeignet sein
bzw. soll durch die Anordnung verändert werden, bzw. nach
Bedarf geformt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine gattungsgemäße Anordnung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteran
sprüche 2 bis 15.
Demnach sind zwei zumindest annähernd parallele Spiegel
annähernd senkrecht zum Laserstrahl angeordnet. Ein Spiegel
ist teilverspiegelt, der andere möglichst voll. Das austre
tende Lichtbündel besteht aus mehreren nebeneinanderliegenden
oder sich teilweise überlappenden Teilbündeln, die unter
schiedlich oft in der Anordnung gespiegelt wurden. Der Ab
stand der Spiegel ist größer als die halbe Kohärenzlänge des
Lasers, der Gangunterschied zweier Teilbündel also jeweils
größer als die ganze Kohärenzlänge. Die Kohärenzlänge
errechnet sich aus der spektralen Verteilung.
Der Laserstrahl wird etwas gegen die Senkrechte zur Spiegel
ebene geschwenkt und so wird erreicht, daß die mehrfach re
flektierten Bündel seitwärts versetzt durch den teilverspie
gelten Spiegel treten.
Der Laserstrahl kann vorteilhaft sowohl neben dem vollver
spiegelten Spiegel als auch durch den teilverspiegelten Spie
gel eintreten.
Zur Homogenisierung des austretenden Lichtbündels ist es
vorteilhaft, wenn der teilverspiegelte Spiegel über seine
Breite unterschiedlich verspiegelt ist, wobei der Reflexions
grad stufenweise oder stetig variieren kann.
Die Spiegel können auf zwei durch Luft, Gas oder Vakuum
getrennten Trägern, von denen einer transparent ist, ange
bracht sein, oder auf beide Seiten einer planparallelen
transparenten Platte, insbesondere aus Glas.
Die Geometrie kann so ausgelegt werden, daß die austretenden
Teilbündel gerade seitwärts aneinander anschließen. Bei einem
Laserstrahl mit zum Rand abnehmender Intensität kann jedoch
durch ein Überlappen der Teilbündel das austretende Licht
bündel homogener gemacht werden.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der Homogenisierung des
austretenden Lichtbündels ergibt sich, wenn der Reflexions
grad des teilverspiegelten Spiegels so variiert wird, daß er
die Inhomogenität der Laserintensität in jedem austretendem
Teilbündel zumindest teilweise kompensiert.
Der bei marktüblichen Excimer-Lasern übliche rechteckige
Strahlquerschnitt kann leicht annähernd quadratisch gemacht
werden, was für die Auslegung von Linsenoptiken vorteilhaft
ist.
Zur sicheren Kohärenzreduktion bei nützlicher Bündelaufwei
tung und mit realistischen Spiegeleigenschaften ist es vor
teilhaft, wenn die Zahl der Spiegelungen am vollverspiegelten
Spiegel der erfindungsgemäßen Anordnung zwischen 5 und 20
beträgt.
Für einen zur Lithografie im fernen Ultraviolett geeigneten
KrF-Excimerlaser ist die typische Kohärenzlänge 20 mm, so daß
eine Spiegelanordnung mit mehr als halb so großem Abstand,
wie im Kennzeichen des Hauptanspruches gefordert, ohne
weiteres zu realisieren ist.
Im weiteren wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ausschnittsweise eine perspektivische Ansicht die
ses Beispiels;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit beidseitig verspiegel
tem transparentem Träger in einer Laser-Beleuch
tungsanordnung;
Fig. 4 ein Diagramm des Reflexionskoeffizienten über die
Breite des teilreflektierenden Spiegels für zwei
Beispiele;
Fig. 5 eine Skizze zur überlappenden Anordnung der austre
tenden Teilbündel bei einem Laserbündel mit zum
Rand abfallender Intensität.
Fig. 1 zeigt einen Laserstrahl (1), z. B. einen KrF-Excimer-
Laserstrahl mit 248 nm Wellenlänge, einer Kohärenzlänge von
20 mm und mit 2 mm Breite bei 20 mm Höhe.
Der Laserstrahl (1) trifft unter einem Winkel von knapp 4°
zur Senkrechten auf einen Planspiegel (2) aus einem transpa
renten Träger und einer teilverspiegelten Schicht (21).
Gegenüber dem Planspiegel (2), parallel dazu und direkt neben
dem Laserstrahl (1) ist ein zweiter Planspiegel (3) mit einer
voll spiegelnden Schicht (31) auf einen Träger angeordnet.
Der Abstand der Spiegel (2) und (3) beträgt knapp 20 mm und
ist damit fast so groß wie die Kohärenzlänge des Laserstrahls
(1).
Durch den teilverspiegelten Spiegel (2) tritt so ein Licht
bündel (4) aus, das aus den zehn Teilbündeln (41) bis (410)
besteht, die jeweils direkt nebeneinander anschließend pa
rallel austreten. Das Lichtbündel (4) hat dann quadratischen
Querschnitt von 20×20 mm2. Die Laufwegdifferenz zwischen je
zwei Teilbündeln (41, 42 usw.) beträgt etwa 40 mm, ist also
doppelt so groß wie die Kohärenzlänge des Laserstrahls (1).
Die Teilbündel (41, 41 usw.) sind damit kohärenzmäßig völlig
entkoppelt. In Fig. 2 ist dieses Beispiel ausschnittweise
nochmals perspektivisch dargestellt. Die Teilbündel (41, 42)
schließen ohne Lücke seitwärts aneinander an.
Fig. 3 zeigt die Einbindung der Anordnung zur Kohärenzre
duktion in eine Laser-Beleuchtungseinrichtung. Der Laser (11)
emittiert einen Laserstrahl (1) von beschränktem Querschnitt,
welcher in eine Anordnung mit teilverspiegeltem Spiegel (21)
und vollverspiegeltem Spiegel (31) eingespeist wird. Die
Anordnung unterscheidet sich nur durch die Verwendung eines
einzigen transparenten Trägers (21) mit beidseitigen Re
flexionsschichten (21, 31) von der luftgefüllten Version nach
Fig. 1.
Das austretende Lichtbündel (4) hat bei gleicher Divergenz
wie der Laserstrahl (1) einen viel größeren Querschnitt
(zehnfach) und ist kohärenzreduziert. Die Fokussierung durch
eine Linse (5) ergibt damit einen Fokusfleck (6), in dem
Speckle-Effekte durch die Kohärenzreduktion reduziert sind
und die Fleckgröße reduziert bzw. die Energiedichte erhöht
ist durch den größeren Querschnitt des fokussierten Bündels
(4).
Um dies insgesamt wirksam zu erreichen, muß jedoch auch die
Lichtintensität über den Querschnitt des austretenden Bündels
(4) möglichst homogen sein.
Zunächst ist dabei die mit jeder Reflexion und teilweisen
Transmission am teilverspiegelten Spiegel (21) einhergehende
Intensitätsänderung des am teilverspiegelten Spiegel (21)
ankommenden Bündels zu kompensieren. Dazu ist der Reflexions
grad stufenweise zu reduzieren. Fig. 4 zeigt dies in einer
Version mit idealem Reflexionsgrad R = 100% des vollver
spiegelten Spiegels (31) und mit 10 austretenden Teilbündeln
(41) bis (410) entsprechend Fig. 1.
Für 10 Teilbündel (41-410) (i = 1 bis 10) soll jedem 10%
der Laserstrahlintensität I₀ zukommen, so daß der
Reflexionsgrad ri, über die Breite eines Teilbündels i
jeweils konstant gewählt wird und von 0,9 im Bereich des
Teilbündels (41) (i = 1) progressiv abnimmt zu 0,5 beim
Teilbündel (49) (i = 9) und 0 beim Teilbündel (410) (i = 10).
bei:
n=Anzahl der Teilbündel (41 bis 410)
I₀=eingestrahlte Anfangsintensität
R=Reflektivität des vollverspiegelten Spiegels (31) (R≈1.00)
n=Anzahl der Teilbündel (41 bis 410)
I₀=eingestrahlte Anfangsintensität
R=Reflektivität des vollverspiegelten Spiegels (31) (R≈1.00)
ri=Reflektivität des teilverspiegelten Spiegels (21)
am Ort des i-ten Teilbündels.
Ii t=i-te transmittierte Intensität.
Ii R=i-te reflektierte Intensität.
Ii t=i-te transmittierte Intensität.
Ii R=i-te reflektierte Intensität.
Dann gilt:
Es gilt insbesondere für
Beispiel für I₀=1; R=100% und n=10:
Statt der stufenweisen Minderung des Reflexionsgrads kann in
brauchbarer Näherung auch eine in Fig. 4 ebenfalls angegebene
stetige Ausgleichskurve (S) verwendet werden, wenn der
Herstellungs- und Justieraufwand, der mit den Stufen im Reflexionsgrad
einhergeht, gemindert werden soll. Zur Kompensation
von Inhomogenitäten der Intensität des Laserstrahls
(1) kann der Reflexionsgrad jedoch auch speziell angepaßte
Kurven aufweisen.
Einen einfachen Ausgleich des typischen Intensitätsabfalls
zum Rand des Laserstrahls (1) hin (Gauß-Profil) erhält man,
wie Fig. 5 zeigt, durch teilweises Überlappen der austretenden
Teilbündel (41, 42 usw.). Das ist durch geeignete Wahl
von Abstand der Spiegel (21, 31) und Einfallswinkel des
Laserstrahls (1) möglich. Der Abstand der gleichen Kanten
benachbarter Teilbündel (41, 42 usw.) variiert zweckmäßigerweise
zwischen der vollen Bündelbreite des Laserstrahls (1)
(wie Fig. 1) und der vollen Halbwertsbreite FWHM des Laser
strahls (1). In diesem Fall ist es vorteilhaft, wie in Fig. 5
dargestellt, den Laserstrahl durch den teilreflektierenden
Spiegel (21) eintreten zu lassen, da bei einer Ausführung
nach Fig. 1 - Eintritt neben dem vollverspiegelten Spiegel
(21) - sonst Vignettierung an der Spiegelkante auftreten
würde.
Die Zahl der mit der Anordnung erzeugten Teilbündel (41) bis
(410), die das austretende Lichtbündel (4) bilden, wird
zweckmäßig mit etwa 5 bis 20 angesetzt. Größe und Abstand der
Spiegel (21, 31), der Eintrittswinkel des Laserstrahls (1)
und der Verlauf des Reflexionsgrads des teilverspiegelten
Spiegels (21) werden dementsprechend abgestimmt. Nach oben
limitieren diese Zahl die unvermeidlichen Reflexions- und
Streuverluste (u. a. am vollverspiegelten Spiegel (31)) und
die brauchbaren Querschnitte des austretenden Lichtbündels
(4). Mit weniger Reflexionen ist der Effekt der Kohärenzre
duktion noch zu gering, da ja jedes Teilbündel (41 usw.) in
sich die Kohärenzeigenschaften des Laserstrahls (1) noch
aufweist. Ebenfalls ist die Homogenisierung des Intensitäts
profils noch gering.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann einzeln, mehrfach und in
Kombination mit bekannten Maßnahmen zur Kohärenzreduktion und
Homogenisierung, wie z. B. aus Wangler et al. a.a.o. bekannt,
benutzt werden.
Zur Kohärenzreduktion in zwei orthogonalen Richtungen ist
eine Kombination zweier gegeneinander um 90° verdrehter
erfindungsgemäßer Anordnungen mit zwischengeschalteter
anamorphotischer Optik geeignet.
Claims (14)
1. Anordnung zur Kohärenzreduktion und Strahlformung eines
Laserstrahls (1), gekennzeichnet durch zwei zumindest
annähernd parallele annähernd senkrecht zum Laserstrahl
angeordnete Spiegel (21, 31), von denen der eine voll
(31), der andere teilverspiegelt (21) ist, so daß das
austretende Lichtbündel (4) aus mehreren nebeneinander
liegenden oder sich teilweise überlappenden Teilbündeln
(41-410) besteht, die unterschiedlich oft in der
Anordnung gespiegelt wurden, wobei der Abstand der Spie
gel (21, 31) größer als die halbe Kohärenzlänge des
Lasers (11) ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserstrahl (1) unter einem kleinen Winkel gegen die
Senkrechte zur Spiegelebene (21) eintritt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl (1) neben dem vollverspiegelten
Spiegel (31) eintritt.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß der Laserstrahl (1) durch den teilverspiegelten
Spiegel (21) eintritt.
5. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß der teilverspiegelte Spiegel
(21) über seine Breite unterschiedlich verspiegelt ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der teilverspiegelte Spiegel (21) mit stufenweise abneh
mendem Reflexionsgrad verspiegelt ist (Fig. 4).
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der teilverspiegelte Spiegel (21) mit stetig variierendem
Reflexionsgrad verspiegelt ist (Fig. 4).
8. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Spiegeln
(21, 31) Luft, Gas oder Vakuum ist und der teilverspie
gelte Spiegel (21) auf einem transparenten Tragkörper (2)
aufgebracht ist.
9. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiegel (21, 31)
auf einen transparenten Tragkörper (23) auf zwei gegen
überliegende Planflächen aufgebracht sind (Fig. 3).
10. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 2-9,
dadurch gekennzeichnet, daß für eine gegebene Breite des
Laserstrahls (1) der Winkel gegen die Senkrechte der
beiden Spiegel und der Abstand der beiden Spiegel (21,
31) so gewählt werden, daß die austretenden Teilbündel
(41-410) unmittelbar nebeneinander anschließen.
11. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die austretenden Teil
bündel (41-410) teilweise überlappen (Fig. 5).
12. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 7-11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Variation des Reflexions
grads die Inhomogenität der Laserintensität über den
Strahlquerschnitt zumindest teilweise kompensiert.
13. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-12,
dadurch gekennzeichnet, daß der eintretende Laserstrahl
(1) einen schmalen rechteckigen Querschnitt hat und das
austretende Lichtbündel (4) einen annähernd quadrati
schen Querschnitt hat.
14. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Spiegelungen am
vollverspiegelten Spiegel (31) zwischen 5 und 20 beträgt.
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Legal Events
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8141 | Disposal/no request for examination |