DE69703165T2

DE69703165T2 - Strahlhomogenisierer

Info

Publication number: DE69703165T2
Application number: DE69703165T
Authority: DE
Inventors: R. Feldman; D. Kathman
Original assignee: Tessera North America Inc
Current assignee: DigitalOptics Corp East
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: US6847485B2; JP4951670B2; WO1998028650A1; US20050128540A1; KR20000069648A; JP4787944B2; US20010046073A1; US6970292B2; US6025938A; JP2007150345A; US20040179269A1; ATE196550T1; EP0946894A1; JP2001507139A; US6278550B1; US6396635B2; US5850300A; DE69703165D1; EP0946894B1; AU5617098A

Description

Feld der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein ein optisches Gerät und allgemeiner ein System zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls mit einer vorausgewählten Verteilung der Leistung und/oder der Energie, wobei unerwünschte Intensitätsvariationen in der Ausgangsebene, verursacht durch scharfe Unterbrechungen zwischen Facetten, vermieden werden.

Hintergrund der Erfindung

Wie in FR A 2 716 726 beschrieben, erzeugt ein Lasergerät einen Strahl von kohärentem Licht, dass eine Wellenfront mit relativ kleinem Querschnitt aufweist. Trotz des kleinen Querschnitts und der Kohärenz des Strahls hat die Wellenfront des Lasers typischerweise eine ungleichmäßige Leistungsverteilung, die im Zentrum stärker als an den äußeren Rändern ist. Die Leistungsvariation kann zwischen fünf und zehn Prozent betragen. Weiterhin ist es oftmals nötig, die Querschnittsfläche des Strahls für dessen Benutzung zu vergrößern, wodurch die Ungleichmäßigkeit über eine größere Wellenfront verteilt ist.
Bei der Verwendung herkömmlicher Linsen zur Aufweitung des Strahls wird die ungleichmäßige Leistungsverteilung der Wellenfront auf den aufgeweiteten Strahl übertragen. Ferner wird die Ungleichmäßigkeit des Strahls dadurch noch augenscheinlicher, dass die Wellenfront nunmehr über eine größere Querschnittsfläche ausgedehnt ist. Diese Ungleichmäßigkeit ist für den Nutzeffekt eines Systems, dass den Strahl verwendet, insofern häufig schädlich, als das System für einen bestimmten Mittelwert der Strahlleistung oder andernfalls derart entworfen werden muss, dass die äußeren Bereiche des Strahls mit niedrigerer Leistung beispielsweise durch die Verwendung einer Blende abgeschnitten werden. Keine dieser Alternativen ermöglicht die optimale Nutzung der Strahlleistung und es ist sehr schwierig eine gleichmäßige Leistungsverteilung von beispielsweise plus oder minus einem Prozent Variation, wie oft verlangt, mittels herkömmlicher Linsensysteme zu erreichen.
Holographische Elemente wurden geschaffen, um als konventionelle optische Massenelemente zu dienen. In solchen Fällen dienen die holographischen Elemente, deren Orientierung und räumliche Perioden stimmen, dem Zweck, die auftreffende Wellenfront in ein gewünschtes Ausgangsortsmuster, eine gewünschte Form oder Abbildung zu beugen. Jedoch würden diese holographischen Elemente, wenn sie zur Verwendung als Standardlinse geschaffen werden, auch die ungleichmäßige Leistungsverteilung auf das Ausgangsmuster, die Form oder Abbildung übertragen und dabei die Leistung der optischen Quelle uneffizient nutzen.
Die Frage, wie eine Wellenfront mit ungleichmäßiger Leistungsverteilung ausgeglichen werden kann, wird in US 4,547,037 behandelt. In diesem Patent ist ein mehrfach facettiertes holographisches Element offenbart, das die Lichtenergie des auftreffenden Strahls auf eine zweite Ebene umverteilt. Dies wird erreicht, indem jede Facette als individuelles Hologramm oder Beugungsgitter ausgebildet ist. Die Abmessung jeder Facette ist umgekehrt proportional zu der Intensität des Anteils des darauf auftreffenden Lichtstrahls, um sicher zu stellen, dass durch jede Facette im Wesentlichen dieselbe Leistung gelangt. Das durch jede Facette transmittierte Licht wird derart gebeugt, dass es an unterschiedlichen Orten auf einer zweiten Ebene relativ zu deren Lagen in dem holographischen Element ankommt. Jedes der Unterhologramme oder Beugungsgitter weitet oder verengt den Anteil des auftreffenden Strahls, der dort hindurchgelangt, um verschiedene Bereiche auf der zweiten Ebene gleichermaßen zu beleuchten, wobei ein Ausgangsstrahl erzeugt wird, der in der zweiten Ebene eine Wellenfront von nahezu konstanter Intensität hat.
Das Problem bei Vorrichtungen gemäß der Lehre aus US 4,547,037 ist, dass im Falle einer von den Designparametern abweichenden Leistungsverteilung des auftreffenden Strahls über der Oberfläche des Hologramms, die Leistungsverteilung des Ausgangsstrahls in der zweiten Ebene gleichermaßen beeinflusst wird und somit nicht mehr gleichmäßig ist. In optischen Systemen können viele Ursachen für eine solche Abweichung der Leistungsverteilung des auftreffenden Strahls vorkommen, z. B. Leistungsschwankungen aufgrund des Alters der Komponenten oder der Austausch der Quelle aufgrund versagens. Außerdem wird jede Fehlausrichtung des Systems aufgrund von Erschütterungen oder Alterung eine Ausgangswellenfront mit einer ungleichmäßigen Leistungsverteilung erzeugen.
Benötigt wird daher ein relativ kostengünstiger Weg, einen auftreffenden optischen Strahl mit einer Wellenfront mit ungleichmäßiger örtlicher Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl zu konvertieren, der eine im Wesentlichen gleichmäßige örtliche Energieverteilung aufweist, die vergleichsweise unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Ausrichtung des auftreffenden Strahls und räumlichen Energieverteilungen innerhalb des auftreffenden Strahls ist.
Weiterhin wird ein relativ kostengünstiger Weg benötigt, einen auftreffenden optischen Strahl mit einer Wellenfront mit ungleichmäßiger örtlicher Energieverteilung zu einem Ausgangsstrahl zu konvertieren, der eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung aufweist, wobei ein Hologramm verwendet wird, dass keine regelmäßigen Unterbrechungen zwischen Facetten aufweist, um die durch die regelmäßigen Unterbrechungen zwischen den Facetten verursachten Intensitätsvariationen in der Ausgangsebene zu minimieren.
Ferner wird ein relativ kostengünstiger Weg benötigt, um einen auftreffenden optischen Strahl mit einer willkürlichen Wellenfront zu einem Ausgangsstrahl zu konvertieren, der vorausgewählte Eigenschaften einschließlich einer vorausgewählten Winkelverteilung hat, so dass der Ausgangsstrahl für die Fotolithographie nutzbar ist. Fotolithographische Belichtungssysteme werden dazu verwendet, um das Muster einer Maske auf einen Wafer abzubilden, um Fotoresist auf dem Wafer mit einem vorbestimmten Muster zu belichten. Eine nachfolgende Bearbeitung des Wafers führt zur Fertigstellung von Schichten, die schließlich die gewünschte Vorrichtung, wie beispielsweise einen integrierten Schaltkreis, bilden"
Wenn die Maske in einem projektionslithographischen System verwendet wird, wie z. B. ein "Laserstepper" mit einem Reduktionsverhältnis von 5 : 1 oder 10 : 1, wird die Maske oftmals als Strichplatte bezeichnet. Die Strichplatte oder Maske wird typischerweise durch Chrombereiche auf einem transparenten Substrat gebildet. Die Chrombereiche der Maske blockieren das einfallende Licht, wodurch das Muster der Maske sich als Intensitätsvariation auf das Licht überträgt. In einem fünffach Laserstepper wird das Muster der Strichplatte um einen Faktor 5 verkleinert auf einen Wafer abgebildet. Der das Beugungsmedium befeuchtende Strahl ist bei dieser Anwendung typischer Weise relativ gleichmäßig und hat einen ziemlich engen Divergenzkonuswinkel, das heisst, er ist in seiner Orts- und Winkelenergieverteilung begrenzt.
Während Masken und Strichplatten die Intensität des Lichts auf dem Wafer bestimmen, gibt es jedoch kein Element, welches die Winkelverteilung des Lichts auf dem Wafer bestimmt. Durch Veränderung der einzelnen Winkelverteilung des den Wafer beleuchtenden Lichts kann die Tiefe des Feldes und die Auflösung des fotolithographischen Belichtungssystems angebaut werden. Diese Element sollte idealerweise kostengünstig und relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Ausrichtung und der örtlichen Energieverteilung des auftreffenden Strahls sein.
Weiterhin wird ein relativ kostengünstiger Weg zur Umwandlung eines kollimierten auftreffenden optischen Strahls mit einer Wellenfront mit ungleichmäßiger örtlicher Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl benötigt, der eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung oder eine vorausgewählte Strahlform hat und der relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Ausrichtung des auftreffenden Strahls und der örtlichen Energieverteilung innerhalb des auftreffenden Strahls ist. Zusätzlich wird ein relativ kostengünstiger Weg gesucht, um einen auftreffenden optischen Strahl mit einer Wellenfront mit ungleichmäßiger örtlicher Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl mit vorausgewählten Eigenschaften, wie z. B. der örtlichen Energieverteilung oder einer vorausgewählten Strahlform oder einer vorausgewählten Winkel-Energieverteilung, umzuwandeln, wobei der Ausgangsstrahl relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Ausrichtung des auftreffenden Strahls und der örtlichen Energieverteilung in dem auftreffenden Strahl ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Strahlhomogenisierungssystem zum Umwandeln eines Eingangsstrahls mit einer ungleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl mit einer vorausgewählten örtlichen Energieverteilung in einer Ausgangsebene, wobei die durch Unterbrechungen zwischen den Subhologrammen verursachte Intensitätsvariation minimiert ist. Ein Eingangsstrahl leuchtet wenigstens einige aus einer Anordnung von Computergenerierten Subhologrammen, deren Abmessung unabhängig von der Intensität des Anteils des darauf auftreffenden Eingangsstrahls bestimmt ist und die relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Anordnung des darauf auftreffenden Eingangsstrahls ist. Jedes Sub- Hologramm beugt einen Großteil des Anteils des darauf auftreffenden Eingangsstrahls, so dass bei einem in einer zweiten Ebene angeordneten Target der durch jedes der beleuchteten Subhologramme gebeugte Anteil des Eingangsstrahls den Anteil, der durch wenigstens ein anderes beleuchtetes Computer-generiertes Subhologramm gebeugt wird, überlappt, wobei ein Ausgangsstrahl gebildet wird. Die Intensität des Ausgangsstrahls ist im Wesentlichen über das gesamte Target gleichverteilt. Der Ausgangsstrahl hat eine vorausgewählte Winkelverteilung und das Target entspricht einer vorausgewählten örtlichen Energieverteilung, die in der Ausgangsebene gewünscht ist.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Strahlhomogenisierungssystem zum Umwandeln eines auftreffenden Strahls mit einer zufälligen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl miteinervorausgewählten örtlichen Energieverteillung in einer von dem Homogenisierer beabstandeten Ausgangsebene, wobei die durch Unterbrechungen zwischen den Subhologrammen verursachten Intensitätsvariationen minimiert sind. Eine Anordnung von Subhologrammen ist derart mittels eines iterativen Kodierverfahrens entworfen worden, dass jedes der Subhologramme unregelmäßig geformte Beugungsstreifen aufweist und dass Bereiche des auftreffenden Strahls, die durch verschiedene dieser Subhologramme gebeugt werden, in der Ausgangsebene überlappen, wobei der Ausgangsstrahl eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung hat, die relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Anordnung eines auf den Homogenisierer auftreffenden Eingangsstrahls und gegenüber örtlichen Energieverteilungen innerhalb des auftreffenden Strahls ist. Jedes Subhologramm überträgt einen Strahl mit einer vorausgewählten Winkelverteilung. Der Ausgangsstrahl hat eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung, wie sie in der Ausgangsebene gewünscht ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Strahlhomogenisierungssystem zum Umwandeln eines auftreffenden Strahls mit einer zufälligen örtlichen Energieverteilung und einer begrenzten Winkel-Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl mit einer vorausgewählten Winkel-Energieverteilung, wobei die durch Unterbrechungen zwischen Subhologrammen verursachte Intensitätsvariation minimiert ist. In einer Anordnung von Subhologrammen, von denen jedes Subhologramm unregelmäßig geformte Beugungsstreifen aufweist und von denen jedes Subhologramm Pixel enthält, die Fasensprünge aufweisen, überlappt das von wenigstens zwei der Subhologramme gebeugte Licht in der Ausgangsebene und formt so einen Ausgangsstrahl. Der Ausgangsstrahl hat eine vorausgewählte Winkel-Orts-Energieverteilung, die relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Anordnung des auf den Homogenisierer auftreffenden Eingangsstrahls und die örtliche Energieverteilung innerhalb des auftreffenden Strahls ist. Der Ausgangsstrahl hat eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung und/oder eine vorausgewählte Winkel-Energieverteilung.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Strahlhomogenisierer zum Umwandeln eines Eingangsstrahls mit ungleichmäßiger örtlicher Verteilung in einen Ausgangsstrahl miteinergleichmäßigeren Verteilung. Ein erfindungsgemäßes Computer-generiertes Hologramm hat ein Fasenübertragungsmuster. Die Fourier-Transformierte des Fasenübertragungsmusters ist über einen vorausgewählten Winkelbereich gleichmäßig. Das Muster ist aus einem oder mehreren binären Fasenelementen erzeugt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein System zum Modifizieren der Winkelverteilung eines inkohärenten oder partiell kohärenten Lichtstrahls. Ein auftreffender, sich mit einem Konuswinkel ausbreitender Lichtstrahl wird durch ein beugendes Streuelement in einen Bereich vorausgewählter Winkel gebeugt. Diese Winkel sind durch den Konuswinkel des auftreffenden Strahls und die Fourier-Transformierte des Streuelements bestimmt oder vorgeschrieben.
Die Erfindung betrifft ferner ein fotolithographisches optisches System. Ein Eingangsstrahl beleuchtet ein beugendes Streuelement. Das beugende Streuelement beleuchtet durch die Übertragung eines Ausgangsstrahls eine Maske unter einer vorausgewählten Winkelverteilung.
Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen auftreffenden optischen Strahl mit einer ungleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl mit einer gleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einer Ausgangsebene zu konvertieren. Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen auftreffenden Strahl mit einer ungleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl zu konvertieren, der eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung in einer vorausgewählten Form in einer vom Homogenisierer beabstandeten Ausgangsebene konvertiert.
Merkmal dieser Erfindung ist, dass der Homogenisierer ein Hologramm ist und jede der Facetten ein Sub-Hologramm ist. Ein anderes Merkmal der Erfindung ist noch, dass die Subhologramme dazu entworfen sind, Interferenzeffekte zwischen dem durch die Facetten übertragenen Licht in der Ausgangsebene zu minimieren.
Ein Merkmal dieser Erfindung ist, dass der auftreffende Strahl mit einer ungleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl mit einer vorausgewählten örtlichen Energieverteilung in einer vom Homogenisierer beabstandeten Ausgangsebene konvertiert wird, wobei die Intensitätsvariation, die durch Unterbrechungen zwischen den Facetten verursacht werden, minimiert sind. Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist, dass ein auftreffender Strahl mit einer ungleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl mit einer vorausgewählten örtlichen Energieverteilung von vorausgewählter Form in einer vom Homogenisierer beabstandeten Ausgangsebene konvertiert wird.
Vorteil dieser Erfindung ist, dass der Homogenisierer durch Computer-Generierungstechnik entwickelt und relativ kostengünstig hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass die Homogenisierung relativ unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Leistungsdichte des auftreffenden Strahls ist. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist, dass die Intensität des Ausgangsstrahls im Wesentlichen unempfindlich gegenüber der Lage des auftreffenden Lichtstrahls auf dem Homogenisierer ist.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass sie einen auftreffenden Strahl mit einer ungleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl konvertieren kann, der eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung in einer vom Homogenisierer beabstandeten Ausgangsebene hat, wobei die durch Unterbrechungen zwischen den Facetten verursachte Intensitätsvariation minimiert ist. Weiterhin vorteilhaft bei dieser Erfindung ist, dass sie einen auftreffenden Lichtstrahl mit einer ungleichmäßigen örtlichen Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl konvertieren kann, der eine vorausgewählte örtliche Energieverteilung mit einer zufälligen vorausgewählten Form in einer vom Homogenisierer beabstandeten Ausgangsebene hat.
Noch ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass sie einen Eingangsstrahl mit einer zufälligen örtlichen Energieverteilung und einer begrenzten Winkel-Energieverteilung in einen Ausgangsstrahl umwandeln kann, der eine vorausgewählte Winkel- Energieverteilung oder eine vorausgewählte Form in einer vom Homogenisierer beabstandeten Ausgangsebene hat.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben:
Fig. 1 zeigt die örtliche Energieverteilung eines auf einen Homogenisierer nach dem Stand der Technik gemäß FR-A-2,716,726 auftreffenden Strahls und zeigt ferner wie die Anteile des auftreffenden Strahls, die durch den Homogenisierer übertragen werden, in einer Ausgangsebene zusammengesetzt sind, um einen Ausgangsstrahl mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Leistungsverteilung zu erzeugen.
Fig. 2 zeigt eine örtliche Energieverteilung auf einem Homogenisierer eines auftreffenden Strahls, die typisch für einen Excimer-Laser ist, und den resultierenden Ausgangsstrahl.
Fig. 3 zeigt eine andere örtliche Energieverteilung eines auf einem Homogenisierer auftreffenden Lichtstrahls, die typisch für einen NdYAG- Laser ist, und den resultierenden Ausgangsstrahl.
Fig. 4 zeigt die örtliche Energieverteilung eines auf einen erfindungsgemäßen Homogenisierer auftreffenden Eingangsstrahls, den Homogenisierer mit einer unregelmäßig gemusterten Anordnung von Plateaus und Wegen und die Art, in der die Anteile des auftreffenden Strahls, die durch den Homogenisierer übertragen werden, in einer Ausgangsebene zusammengesetzt sind, um einen Ausgangsstrahl mit einer im Wesentlichen stabilen Leistungsverteilung und mit einervorausgewählten Leistungsverteilung in Form eines Kreises zu erzeugen.
Fig. 5A zeigt ein Hologramm mit mehrfachen Facetten sowie Unterbrechungen zwischen den Facetten.
Fig. 5B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Hologramms aus Fig. 5A, derart dass die scharfen Unterbrechungen zwischen Facetten detaillierter sichtbar sind.
Fig. 6 zeigt die Übertragung eines Strahls mit einer vorausgewählten Winkelverteilung von 20º von einem Facettenbereich zu einer Ausgangsebene.
Fig. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Hologramms aus Fig. 4 mit den unregelmäßig gemusterten Plateaus und Wegen sowie die 4 · 4 - Anordnung von Facettenbereichen zufällig gewählter größe und es zeigt, dass die Facetten sich nicht wiederholende Muster sind und keine Unterbrechungen an den Facettenrändern aufweisen.
Fig. 8 zeigt ein kreisförmiges Targetmuster, welches ein vorausgewähltes Leistungsverteilungs-Muster darstellt, bei dem die örtliche Leistung in der Ausgangsebene in einem Kreis verteilt ist, wobei außerhalb des Kreises vergleichsweise keine Verteilung vorliegt.
Fig. 9 zeigt ein ringförmiges Muster in der Ausgangsebene, welches ein vorausgewähltes Leistungsverteilungs-Muster darstellt, bei dem die örtliche Leistung in der Ausgangsebene derart verteilt ist, dass ein verhältnismäßig unbeleuchteter kreisförmiger Bereich von einem ringförmigen beleuchteten Bereich umgeben ist, welcher wiederum an einen verhältnismäßig unbeleuchteten Bereich angrenzt.
Fig. 10 ist einen Seitenansicht, die vorliegende Erfindung im Einsatz in einem fotolithographischen System zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist eine Anordnung nach dem Stand der Technik aus FR-A-2,716,726 gezeigt. Ein optischer Strahl trifft auf einen Homogenisierer 10 mit einer Anordnung 11 von Facetten 12. Jede dieser Facetten ist dafür konstruiert, einen Teil des darauf auftreffenden optischen Strahls 14 gleichmäßig über ein gesamtes Target 16 in einer Ausgangsebene 18 zu lenken. Wenn die Teile des auftreffenden Strahls, die durch jede der Facetten 12 übertragen werden (zur Illustration als 20a und 20b dargestellt), beim Target 16 überlappen, ist der auftreffende optische Strahl gemischt, wobei die durch jeden der Facetten 12 übertragenen diskreten Teile des auftreffenden Strahls 14, homogenisiert werden. Diese Homogenisierung stellt sicher, dass am Target 16 eine gleichmäßige Mischung des auftreffenden Strahls 14 in der Form vorliegt, dass in der Ausgangsebene 18 der Ausgangsstrahl 22 eine gleichmäßige Leistungsverteilung 24 hat. Der Homogenisierungsprozess mittelt die Leistung des auftreffenden Strahls 14 mit gewissen Wirkungsgrad-Verlusten.
Der auftreffende optische Strahl 14 geht von einer (nicht dargestellten) optischen Quelle, wie z. B. einem Laser aus, und ist vorzugsweise in einem kollimierten Zustand; die örtliche Energieverteilung des auftreffenden Strahls kann verschiedene Formen annehmen, von denen einige in Fig. 1-3 dargestellt sind. Der auftreffende optische Strahl 14 kann mittels konventioneller optischer Massenelemente wie z. B. Linsen und Spiegel oder durch die Verwendung holographischer Elemente, die dieselben Ergebnisse wie konventionelle optische Elemente erzielen, von der optischen Quelle zum Homogenisierer 10 übertragen und kollimiert werden. Der auftreffende Strahl 14 hat üblicherweise eine Leistungsverteilung 26, die eine signifikante Intensitätsvariation über ihren Querschnitt haben kann. In einigen Quellen kann die Intensitätsverteilungsvariation 26 zwischen 5 und 10% betragen. Wenn die optische Quelle altert oder die die optische Quelle versorgende Spannungsversorgung schwankt, kann sich die Leistungsverteilung 26 des auftreffenden Strahls 14 zusätzlich ändern. Der Strahlhomogenisierer 10 ist dazu ausgebildet, den auftreffenden optischen Strahl zu mischen, damit der Ausgangsstrahl 22 am Target 16 der Ausgangsebene 18 eine im Wesentlichen gleichmäßige Leistungsverteilung 24 unabhängig von einer Schwankung in der Leistungsverteilung 26 des auftreffenden Strahls 14 und unbeschadet einer geringen Variation des Ortes, an dem der auftreffende Strahl 14 auf die Anordnung 11 trifft, haben wird. Die Leistungsverteilung 24 am Target 16 ist im Wesentlichen vielmehr ein Mittelwert der Gleichförmigkeit der Leistung über jeder der Facetten 12 als der Gleichförmigkeit der Leistung 26 über das auftreffende Signal 14.
Der Strahlhomogenisierer 10 ist in dieser Ausführungsform ist ein holographisches Element und die Facetten 12 sind Subhologramme, die in dieser Figur als eine lineare M · N-Anordnung gleichgroßer Subhologramme dargestellt sind. Diese Subhologramme 12 sind so ausgebildet, dass jeder Teil des auftreffenden optischen Strahls 14, der auf ein solches auftrifft, über das gesamte Target 16 in der Ausgangsebene 18 gebeugt wird. Jedes dieser Subhologramme 12 ist ein unterschiedliches Beugungsgitter, dass den Teil des auftreffenden Strahls 14 auf das gesamte Target 16 richtet. Aufgrund der Anzahl von Streifen oder Pixeln, die in der unten beschriebenen besonderen Ausgestaltung der Subhologramme 12 bis an 80 Linien pro Millimeter (80 Linien/mm) heranreicht, wurden diese Streifen in der Zeichnung aus Gründen der Klarheit weggelassen. Außerdem ist der Homogenisierer 10 aus Gründen der Klarheit der Darstellung und zur Vereinfachung der Beschreibung als eine 4 · 4-Anordnung 11 dargestellt, während, wie unten beschrieben, in Realität wesentlich mehr Homogenisierer 10 bildende Subhologramme 12 oder Facetten vorhanden sein können.
Eine Methode zur Herstellung solcher Hologramme ist, ein Interferenzmuster zwischen kohärenten Lichtstrahlen auf einer fotographischen Platte zu erzeugen und anschließend die Platte entwickeln. Interferenzbasierende Hologramme beinhalten Merkmale, die Interferenzstreifen erzeugen, und die die Massenherstellung zur Zeit erschweren.
Um die Herstellungsprobleme, die mit interferenzbasierenden Hologrammen verbunden sind, zu überwinden, wurden Computer-generierte Hologramme (CGH) entwickelt. CGH's können entwickelt werden, indem das gewünschte holographische Muster berechnet wird und danach auf der Grundlage vorgegebener konstrukiver Bedingungen das genaue benötige Hologramm mathematisch aus dem Muster oder einer rekonstruierten Wellenfront rückentwickelt wird. Es wurden verschiedene iterative CGH-Kodierverfahren entwickelt, wobei Vorteile aus der steigenden Computergeschwindigkeit gezogen werden um CGH's mit einer deutlich besseren Leistung zu entwickeln als die Hologramme, welche mittels anderer mathematischer Techniken entwickelt wurden.
CGH's sind für gewöhnlich ihrer Art nach Oberflächenreliefs und werden durch fotolithografisches, ätzendes Elektronenstrahlschreiben oder andere Techniken geformt. Die Elektronenstrahltechnologie ermöglicht eine Auflösung nahe der eines optischen Films, enthält aber Amplituden- und Phasenquantisierungsschritte, die viel gröber sind. Fotolithographische Verfahren können Vielebenen-Hologramme liefern; Ausrichtungsfehler zwischen den Ebenen häufen sich jedoch mit der Anzahl der Ebenen.
Bemerkenswert ist, dass der Hauptunterschied zwischen der Anordnung aus FR-A- 2,716,726 und der aus US-4,547,037 darin besteht, dass in der zuletzt genannten das jede der Facetten beleuchtende Licht an unterschiedliche Orte in der Ausgangsebene gelenkt wird. In der FR-A-2,716,726 und der vorliegenden Erfindung wird Licht von vielen Facetten in der Ausgangsebene überlagert. Während die Vorteile dieses Merkmals bereits erklärt wurden, liegen die Nachteile dieses Merkmals darin, dass an den Orten in der Ausgangsebene, wo das Licht von verschiedenen Facetten sich überlagert, Kohärenzeffekte das Entstehen von Interferenzmustern verursachen können, die starke Schwankungen im Laser-Intensitätsprofil verursachen können, wenn die Hologramme nicht spezifisch dafür entworfen wurden, dieses Problem zu vermeiden. Wenn z. B. die Subhologramme unabhängig entworfen wurden und die Größe jedes einzelnen Subhologramms kleiner als die örtliche Kohärenzweite der Laserquelle ist, können die Kohärenzeffekte große Hell-Dunkel- Streifenmuster an den Orten, an denen das Licht von verschiedenen Facetten überlappt, verursachen.
Dieses Problem kann dadurch verkleinert werden, dass die Subhologramme mittels eines iterativen Kodierverfahrens, wie z. B. dem "Iterative Discrete On-axis" (IDO)- Kodieren, entworfen werden. Diese Methode ist ausführlicher in der Publikation "Iterative Encoding of High-Efficiency Holograms for Generation of Spot Arrays", Optics Letters, Vol. 14, Seiten 479-81, 1989, von Ko-Erfinder Feliman et al., beschrieben, deren Offenbarung durch diese Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Beschreibung ist. Das Hologramm ist in eine zweidimensionale Anordnung rechteckiger Zellen unterteilt, die Transmittanzwerte jeder Zelle werden gewählt und anschließend optimiert, bis eine akzeptable Abbildung erreicht ist. Während des Optimierungsprozesses wird die Abbildung einschließlich der Interferenzeffekte zwischen unterschiedlichen Facetten aufgezeichnet. Die Transmittanzwerte für jede Zelle werden so gewählt, dass nicht nur das jede Facette beleuchtende Licht über einen großen Teil der (oder die gesamte) Ausgangsebene verteilt wird, sondern auch so, dass die Interferenzeffekte zwischen den Facetten minimiert werden. Da die "On-axis-Kodierung" ohne Trägerwellenfront für das Hologramm auskommt, können diese Hologramme CGHs mit einer viel höheren Beugungseffizienz erzeugen als "Off-axis-Verfahren", die eine Trägerwellenfront benötigen. Das liegt daran, dass Hologramme ein praktisches oberes Limit für das verfügbare Raum-Bandbreiten-Produkt ("Space-Bandwidth Product", SEIP) bzw. die in dem CGH enthaltene Information haben, die zur Kodierung der gewünschten Abbildung verwendet werden kann. Wenn keine Information für eine Trägerwellenfront benötigt wird, kann mehr Information bezüglich der gewünschten Abbildung kodiert werden. Ebenso kann es erwünscht sein, das Kodierungsverfahren aus US 5,202,775 "Radially Symmetric Hologram and Method of Fabricating the Same" zu verwenden, welches ebenfalls durch Bezugnahme Bestandteil der vcsrliegenden Beschreibung ist. Ein üblicherweise bei iterativen Kodierungsverfahreri, wie z. B. IDO und RSIDO, auftretende Charakteristikum sind Phasensprünge ("phase skipping"). Wie ebenfalls in US 5,202,775 beschrieben, treten Phasensprünge dann auf, wenn zwei benachbarte CGH-Pixel Phasenwerte haben, die um mehr als einen aber weniger als N-1 Phasenwerte differieren. Man beachte, dass Phasensprünge nicht auftreten, wenn binäre oder Vielstufen-Gitter, wie die in US 4,547,037 beschriebenen, verwendet werden.
Bei der Anwendung des IDO-Verfahrens zum Entwerfen eines jeden der Subhologramme 12 kommt es darauf an, die Beugungswinkel gering zu halten, so dass ein hochwirksames CGH mit physikalisch machbaren Merkmalen auf der Grundlage der kurzen Wellenlänge des auftreffenden optischen Strahls 14 entwickelt werden kann. In diesem speziellen Beispiel wird für den auftreffenden optischen Strahl 14 eine elliptische Form von 2,5 cm · 1 cm (Zentimeter) bei einer Wellenlänge von 308 nm ± 1 nm (Nanometer) angenommen. Das Target 16 oder der Ausgangsstrahl 22 kann eine Reihe von Formen einschließlich einer kreisförmigen oder quadratischen Form annehmen, der Durchmesser in der Ausgangsebene 18 ist insbesondere in diesem beschriebenen Beispiel mit 1,5 cm gewählt. Unter diesen Voraussetzungen beträgt der maximale Ablenkwinkel des Strahlhomogenisierers 10 2,9º, wenn der Abstand zwischen dem Homogenisierer 10 und dem Target 16 in der Ausgangsebene 18 20 cm ist.
Mit dem maximalen CGH-Ablenkwinkel von 2,9º wird eine maximale örtliche Frequenz von 160 lp/mm (Linsenpaare/Millimeter) benötigt. Um eine wirtschaftliche Ausnutzung der optischen Leistung der Quelle, in diesem Fall ein Laser (nicht dargestellt) zu haben, müssen die CGH's, welche den Homogenisierer bilden, eine hohe Beugungseffizienz aufweisen. Eine Beugungseffizienz von ungefähr 80% bis 90% wäre erreichbar, wenn die örtliche Frequenz des CGH's 800 Ip/mm oder näherungsweise vier mal die maximal benötigte örtliche Frequenz beträgt. Die örtliche CGH-Frequenz von 800 Ip/mm entspricht einer minimalen Linienpaarabstand von 0,6 um.
Um die für eine wirtschaftliche Ausnutzung der Leistung des auftreffenden Strahls erforderliche hohe Effizienz des CGH zu ermöglichen, ist es weiterhin erforderlich, dass das SBP (Space Bandwidth Product) jedes Sub-Hologramms größer oder gleich 128 · 128 ist. Das SBP ist die Anzahl der Pixel im Sub-Hologramm. Es ist ferner ein Maß für die Freiheitsgrade. Grundsätzlich ist eine große Anzahl von Freiheitsgraden erforderlich, um zufällig optische Funktionen mit hoher Effizienz zu verwirklichen. Dieses legt einen unteren Grenzwert für die Abmessungen jedes der Subhologramme von 77 um · 77 um fest. Werden die Abmessungen jedes Sub- Hologramms auf 100 um · 100 uMa festgesetzt, dann ist die Größe einer 100 · 100 Facetten-Anordnung ausreichend, um für einen Strahl gemäß dem vorliegenden Beispiel verwendet zu werden. Diese besonderen Parameter ergeben ein SBP von 167 · 167, das weit über dem geplanten, minimalen SBP von 128 · 128 liegt, welches für eine Beugungseffizienz zwischen 80 und 90% benötigt wird. Die berechnete endgültige Beugungseffizienz dieser Vorrichtung wird mit 85% bis 95% veranschlagt.
Die Transmittanzen 20a, 20b jedes der Subhologramme 12 werden das vollständige Target 16 in der Ausgangsebene 18 überdecken und den homogenisierten Ausgangsstrahl 22 formen. Es wird erwartet, dass der Durchmesser des Ausgangsstrahls 22 1,5 cm · 1,5 cm beträgt. In diesem Fall weist der Ausgangsstrahl 22 einen kleineren Durchmesser als der Eingangsstrahl 14 auf. Es wäre ebenso möglich, den Ausgangsstrahl 22 mittels des Homogenisierers 10 zu vergrößern, so dass das Target 16 einen größeren Querschnitt als der Eingangsstrahl 14 oder jedes willkürlich, gewünschte Profil haben würde.
Die Ausgangsebene 18 repräsentiert eher einen Raumbereich als ein bestimmtes Element. Es wäre möglich, ein optisches Massenelement, eine optische Faser, ein anderes Hologramm, eine aktive Vorrichtung oder irgendeinen anderen Apparat, der bzw. das den Ausgangsstrahl benutzt, wie z. B. eine Abdeckmaske oder ein zu beleuchtendes Objekt, zu plazieren. Eine solche Anwendung könnte sein, ein optisches Element in der Ausgangsebene 18 einzubauen, das den Ausgangsstrahl in einer Laser-Schneidemaschine verwendbar macht. Ohne den Homogenisierer 10 hat ein in Laser-Schneidemaschinen verwendeter Strahl die Intensitätsverteilung des einfallenden Strahls 24, oder es geht ein signifikanter Anteil der Leistung des einstrahlenden Strahls an einer Apertur verloren. Wie in Fig. 1 gezeigt, hat der auftreffende Strahl einen Bereich höherer Leistung ("hotspot"), der sich schneller durch das Material schneiden wird als der äußere Ringbereich mit geringerer Leistung. Dies verursacht unakkuratere Schnittkanten, da die Kante eine Form annehmen würde, die dem Reziproken der Wellenfront der Leistungsverteilung des einfallenden Strahls genähert ist. Die Leistungsverteilung der Ausgangswellenfront beim Target verdeutlicht die harte Leistungsdifferenz zwischen den Intensitäten des homogenisierten Strahls außerhalb und innerhalb des Targets. Das Schneiden erfolgt mit der homogenisierten Leistungsverteilung des homogenisierten Strahls über den Ausgangsstrahl gleichmäßiger, wodurch eine akkuratere Kante erzeugt wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Ausführungsform homogenisiert, wie auch die zuvor bezüglich FR-A-2,716,726 beschriebene Anordnung, die örtliche Leistungsverteilung in der Ausgangsebene. Jedoch sind erfindungsgemäß die scharfen Kanten oder Unterbrechungen zwischen Facetten beseitigt, wodurch lntensitäts-Variationen in der Ausgangsebene, die durch solche scharfen Kanten oder Unterbrechungen verursacht werden, eliminiert. Während in EP-A-744,664 zufällig in einer Anordnung orientierte Zellen offenbart sind, fehlt darin jede Offenbarung bezüglich der Struktur der Streifen innerhalb der Zellen oder des Durchgangs der Streifen über die Zellen. Die Ausführungsform aus Fig. 4 überträgt den auf den Homogenisierer auftreffenden Strahl ebenfalls mit einer vorausgewählten Winkelverteilung oder Winkeldivergenz. Ferner beleuchtet die Ausführungsform gemäß Fig. 4 vorausgewählte, geformte Targetbereiche in der Ausgangsebene. Der vorausgewählte, geformte Targetbereich kann in anderer Weise als vorausgewählte örtliche Leistungsverteilung in der Ausgangsebene beschrieben oder bezeichnet werden. Eine weitere Art ihn zu beschreiben ist, von einem geformten Musterstrahl in der Ausgangsebene zu sprechen. Alle Entwurfs- und Herstellungsverfahren und Merkmale, die zur Verwendung mit der FR-A- 2,716,726 beschrieben wurden, sind in gleicher Weise bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 anwendbar.
Scharfe Kanten oder Unterbrechungen 48 zwischen Facetten 12, wie sie in den Fig. 1, 2 und 3 zu sehen sind, sind Gefüge auf dem Homogenisierer. Fig. 5A zeigt ein Hologramm 46, in dem scharfe Kanten oder Unterbrechungen 48 zwischen Facetten 12 klar erkennbar sind. Fig. 5B zeigt eine Detailansicht der scharfen Kanten oder Unterbrechungen 48 zwischen den Facetten 12 des Hologramms 46 aus Fig. 5A. Weiterhin ist zu bemerken, dass Wechselwirkungen zwischen Beugungsstreifen, die in der bevorzugten Ausführungsform aus Plateaus 50 (als weiße Bereiche dargestellt) und Wegen oder Tälern 52 (als schwarze Bereiche dargestellt) erzeugt sind, an den Kanten der Facetten einige unerwünschte Strukturen in der Ausgangsebene erzeugt haben.
Solche Strukturen 48 auf dem Homogenisierer verursachen unerwünschte Beugung des auf den Homogenisierer auftreffenden Eingangsstrahls. Solche Strukturen beugen, wenn sie regelmäßig gemustert sind oder sich regelmäßig wiederholen, den auftreffenden Strahl 14 derart, dass nicht erwünschte, deutliche, wiederkehrende Intensitätsschwankungen in der örtlichen Leistungsverteilung des Ausgangsstrahls in der Ausgangsebene erscheinen.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform beseitigt solche scharfen Kanten oder Unterbrechungen und minimiert folglich die Intensitätsschwankungen, welche durch solche Kanten oder Unterbrechungen verursacht werden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist die regelmäßig gemusterte Facetten-Anordnung 11 früherer Ausführungen durch ein optisches Instrument 54, z. B. durch ein Hologramm, ersetzt, das unregelmäßig gemusterte Beugungsstreifen 70 oder Beugungsgitter aufweist. Die Beugungsstreifen 70 der bevorzugten Ausführungsform werden durch Plateaus 50 (als weiße Bereiche dargestellt) und Wege oder Täler 52 (als schwarze Bereiche dargestellt) gebildet; auf die Beugungsmuster wird hierin nachfolgend unter der Bezeichnung Plateaus und Wege Bezug genommen. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung kennt die Konstruktion von Linsen approximierenden Hologrammen aus Plateaus und Weden. In US 4,895,790, ist die Konstruktion optischer Elemente mit Plateaus und Wegen offenbart, der Offenbarungsgehalt dieses Patents ist Bestandteil der vorliegenden Beschreibung. Ferner ist in US 5,202,775 ein Verfahren zur Herstellung von Hologrammen offenbart; der Offenbarungsgehalt dieses Patents ist hierin aufgenommen.
Ein ein Hologramm mit unregelmäßig gemusterten Plateaus 50 und Wegen 52 aufweisender Homogenisierer hat keine regelmäßigen, scharfen Kanten oder Unterbrechungen mehr, die unerwünschte regelmäßige und wiederkehrende Intensitätsschwankungen in der Ausgangsebene verursachen, siehe Fig. 4.
Facettenbereich im Sinne der Erfindung, wie in Fig. 4 gezeigt, bezieht sich auf einen Bereich willkürlich bestimmter Größe auf dem Hologramm 54. Passenderweise wird dabei, auf einen Bereich mit unregelmäßig geformten oder gemusterten Beugungsstreifen (in der bevorzugten Ausführungsform mit unregelmäßig geformten oder gemusterten Plateaus und Wege) auf dem Hologramm Bezug genommen. Ein Hologramm hat wenigstens zwei Facettenbereiche. In der bevorzugten Ausführungsform beinhalten keine zwei Facettenbereiche 56 sich gleichende Muster von Plateaus 50 und Wegen 52. Es kann ebenfalls passenderweise, bei der Bezugnahme auf einen Bereich unregelmäßig geformter Plateaus und Wege auf dem Hologramm von einer Facette gesprochen wurde. Das Muster innerhalb einer Facette ist nominell zu sich selbst korreliert und nominell zu den Mustern in allen anderen Facetten unkorreliert. Daher lenkt jede Facette innerhalb des Hologramms Licht auf den gesamten Targetbereich der Ausgangsebene.
In Fig. 7 ist eine vergrößerte Frontansicht des Hologramms 54 aus Fig. 4 dargestellt. Für das Hologramm 54 aus Fig. 7 (und das Hologramm 54 aus Fig. 4) wurde willkürlich eine 4 · 4-Anordnung von Facettenbereichen oder Facetten 56 ausgewählt dargestellt in Fig. 7 durch punktierte Linien. Diese punktierten Linien sind keine Strukturen auf dem Hologramm, sondern werden diesen dazu, einen Facettenbereich oder Facetten gemäß dieser Ausführungsform zu bezeichnen, womit in zweckdienlicher Weise Bezug auf einen Bereich des Hologramms 54 gemäß dieser Ausführungsform Bezug genommen wird. Jeder Facettenbereich 56 hat unregelmäßig gemusterte Plateaus 50 und Wege 52. Zwischen den Facettenbereichen 56 erscheinen keine scharfen Kanten oder Unterbrechungen. Die gezeigten punktierten Linien bezeichnen nur einen der 16 Facettenbereiche 56 aus Fig. 4, da die punktierten Linien, die übrigen 15 Bereiche kennzeichnen, in Fig. 4 schwer zu erkennen und irreführend wären.
Wenn der auftreffende optische Strahl, vorzugsweise ein kollimierter Strahl, die Facettenbereiche oder Facetten 56 des Hologramms 54 gemäß Fig. 4 beleuchtet, sind die unregelmäßig gemusterten Plateaus 50 und Wege 52 nicht mit einer regelmäßigen, ungewünschten Struktur versehen, die regelmäßige, ungewünschte Intensitätsschwankungen (nicht gezeigt) in der Ausgangsebene 18 überträgt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Ausführungsform ist, dass abweichend vom Entwerfen einer jeden individuellen Facette 56 das Entwerfen von Facettenbereichen oder ganzer Hologramme eine größere Gestaltungsfreiheit bereitstellt, die dem Designer erlaubt, unerwünschte Intensitätsschwankungen in der Ausgangsebene durch Regulierungen an den Plateaus 50 und Wegen 52 zu reduzieren, wogegen die scharfen Unterbrechungen oder Kanten der Ausführungsform mit diskreten Facetten viel weniger Gestaltungsfreiheit im Bezug auf diese scharfen Unterbrechungen oder Kanten bereitstellt. Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Ausführungsform ist, dass der Übergang vom Entwerfen einzelner Facetten 56 hin zum Entwerfen von Facettenbereichen oder ganzen Hologrammen eine größere Gestaltungsfreiheit bereitstellt, die wiederum größere Freiheit zur Erzeugung von Ausgangsstrahlen mit willkürlichen Formen, wie z. B. Ringen oder Fadenkreuzen, erlaubt.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 beleuchtet ein kollimierter Eingangsstrahl 14 einen Facettenbereich 56, der Facettenbereich 56 überträgt Übertragungsstrahlen 20c, 20d mit einer vorausgewählten Winkelverteilung 32. Den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung sind Winkelverteilungen bekannt. Die Winkelverteilung oder Winkeldivergenz ist die Aufweitung der nominellen Strahlgröße über eine endliche Ausbreitungsentfernung, ausgedrückt als Winkel in Radian oder Grad. In jedem gegebenen Facettenbereich 56 beugen die Plateaus 50 und Wege 52 den Eingangsstrahl 14 derart, dass die übertragenen Anteile 20c, 20d des Eingangsstrahls 14 eine vorausgewählte Winkelverteilung haben. Die durch den Facettenbereich 56 bereitgestellte Winkelverteilung ist von dem Designer des Hologramms 54 so ausgewählt, dass ein gewünschter Ausgangsstrahl auf die Ausgangsebene übertragen wird. Vorzugsweise kann der Designer eine Winkelverteilung von +1-0º bis +1-90º vorauswählen. In Fig. 6 ist ein Facettenbereich 56 (in der Seitenansicht) gezeigt, die durch einen Teil des Eingangsstrahls 14 beleuchtet wird und eine Winkelverteilung 32 von + /- 20º für die zu der Ausgangsebene 18 übertragenen Strahlen 20e, 20f bereitstellt.
Die Wahl der Winkelverteilung hängt von der Anwendung ab, für die der Strahlhomogenisierer und der gewünschte Ausgangsstrahl verwendet werden. Die Winkelverteilung wird durch den Designer so gewählt, wie sie für die Anwendung unmittelbar benötigt wird. Z. B. kann ein Beleuchtungssystem zum maschinellen Sehen eine gleichmäßige Beleuchtung über einen rechteckigen Bereich von 10º · 15º erfordern. Der Designer würde für den Strahlhomogenisierer die Winkelverteilung so wählen, dass er eine solche gewünschte Beleuchtung erhält.
Mittels eines Facettenbereichs 56, der einen Strahl mit einer vorausgewählten Winkelverteilung überträgt, kann der Designer den Winkel, über dem das übertragene Licht 20c, 20d, 20e, 20f verteilt ist, kontrollieren. Die Facettenbereiche 56 des Hologramms 54 stellen vorzugsweise eine solche Winkelverteilung bereit, bei der der in der Ausgangsebene 18 beleuchtete 34 Targetbereich 16 größer als der beleuchtete Facettenbereich 56 ist.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist das Hologramm 54 der gestalt entworfen, dass ein vorausgewählter Targetbereich 16 in der Ausgangsebene 18 beleuchtet ist. Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 homogenisiert die örtliche Leistung über diesen vorausgewählten Targetbereich. Das heißt, die Ausführungsform stellt eine konstante, vorausgewählte Leistungsverteilung in der Ausgangsebene bereit, sogar dann, wenn die Leistungsverteilung des einfallenden Strahls über der Oberfläche des Hologramms von den Designparametern abweicht.
Der Designer kann jedwede Form für den Targetbereich 16 wählen. Der Designer entwirft die Plateaus 50 und Wege 52 derart, dass ein Targetmuster 16 der gewünschten Form von dem Hologramm 54 über die Ausgangsebene 118 projiziert werden kann. Der örtliche Frequenzinhalt des Hologramms ist zur Erzeugung eines gewünschten Musters entworfen. Das heißt, die Größe und Orientierung der Plateaus 50 und Wege 52 sind zur Erzeugung eines gewünschten Musters entworfen. Vorzugsweise findet das Entwerfen mittels eines Computers statt.
In der Ausführungsform übertragen die Facettenbereiche 56 Teile 20c, 20d des Eingangsstrahls 14 mit vorausgewählten, entworfenen Winkelverteilungen. Beim Übertragen des Lichts auf verschiedene vorausgewählte Winkelverteilungen projizieren die Facettenbereiche 56 des Hologramms 54 örtliche Leistung mit vorausgewählten Targetmustern 16 auf die Ausgangsebene 18. Ein Targetmuster ist im Wesentlichen aus beleuchteten Bereichen 34 der Ausgangsebene 18 mit angrenzenden, nicht beleuchteten Bereichen 36 der Ausgangsebene 18 erzeugt. Das Hologramm 54 ist der gestalt entworfen, dass die örtliche Energie nach vorausgewählten Targetbereichen 34 der Ausgangsebene übertragen wird und vergleichsweise keine Energie nach anderen vorausgewählten Bereichen 36 der Ausgangsebene 18 übertragen wird, wodurch ein vorausgewähltes Targetmuster 16 auf die Ausgangsebene 18 projiziert wird.
Das Targetmuster gemäß Fig. 4 ist ein kreisförmiges Muster. Dieses Muster ist in Fig. 8 in einer Vorderansicht gezeigt. In Fig. 8 ist ein kreisförmiges Targetmuster 16 gezeigt, d. h. ein vorausgewähltes Leistungsverteilungs-Muster ist gezeigt, in dem die örtliche Leistung in der Ausgangsebene innerhalb eines Kreises verteilt ist mit vergleichsweise keiner Verteilung außerhalb des Kreises. Das heißt, Fig. 8 zeigt ein vorausgewähltes Leistungsverteilungs-Muster, in dem die örtliche Leistung derart in der Ausgangsebene 18 verteilt ist, dass ein beleuchteter kreisförmiger Bereich 34 von einem verhältnismäßig unbeleuchteten Bereich 36 in der Ausgangsebene 18 umgeben ist. Das Muster aus Fig. 8 wurde durch das Hologramm aus Fig. 7 erzeugt.
Der Designer kann andere Muster, wie z. B. das in Fig. 9 gezeigte, zur Projektion durch den Homogenisierer 10 auswählen. Fig. 9 zeigt ein ringförmiges Targetmuster 16 in der Ausgangsebene 18. Das heißt, Fig. 9 zeigt ein vorausgewähltes Leistungsverteilungs-Muster, bei dem die örtliche Leistung in der Ausgangsebene 18 derart verteilt ist, dass ein verhältnismäßig nicht beleuchteter kreisförmiger Bereich 36 von einem Ring eines beleuchteten Bereichs 34 umgeben ist, der wiederum an einen vergleichsweise nicht beleuchteten Bereich 36 angrenzt. Es können auch nicht kreisförmige Muster, wie z. B. die Form einer Blume oder eines Rechtecks gewählt werden.
Der Homogenisierer 10 projiziert Muster mit einer gleichmäßigen örtlichen Leistung in beleuchteten Bereichen 34 der Ausgangsebene 18. Die Muster 16 aus Fig. 8 und
Fig. 9 haben eine verhältnismäßig gleichmäßige örtliche Leistung über deren beleuchtete Bereiche 34.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist für Fotolithographie sehr nützlich. Fotolithographie ist im Wesentlichen der Vorgang des Belichtens von Mustern auf ein fotoreaktives Medium. Dieser Prozess wird zur Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet. Die Muster zur Erzeugung dieser hochentwickelten Geräte müssen in den fotolithographischen Prozessen mit höchster Genauigkeit und maximaler Auflösung abgebildet werden.
Fotolithographische Belichtungssysteme werden dazu verwendet, ein Muster einer Maske auf einen Wafer abzubilden, um Fotoresist auf dem Wafer mit einem vorbestimmten Muster zu belichten. Eine nachfolgende Bearbeitung des Wafers führt zu einer Fertigstellung von Schichten, die schließlich die gewünschte Vorrichtung, wie beispielsweise einen integrierten Schaltkreis, bilden.
Wird die Maske in einem projektionslithographischen System verwendet, wie z. B. in einem Laserstepper mit einem Reduktionsverhältnis von 5 : 1 oder 10 : 1, wird sie oftmals auch als Strichplatte bezeichnet. Die Strichplatte oder Maske wird typischerweise durch Chrombereiche auf einem transparenten Substrat gebildet. Die Chrombereiche der Maske blockieren das einfallende Licht, wodurch das Muster der Maske sich als Intensitätsvariation auf das Licht überträgt. In einem fünffach Rasterlaser wird das Muster der Strichplatte um einen Faktor 5 verkleinert auf einen Wafer abgebildet. Der das Beugungsmedium beleuchtende Strahl ist bei dieser Anwendung typischerweise relativ gleichmäßig und hat einen ziemlich engen Divergenzkonuswinkel, das heisst, er ist in seiner Orts- und Winkelenergieverteilung begrenzt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Kontrolle der Winkelverteilung des Lichts auf dem Wafer. Durch eine Modifizierung der besonderen Winkelverteilung des den Wafer beleuchtenden Lichts kann die Tiefe des Feldes und die Auflösungsleistung des fotolithographischen Belichtungssystems erweitert werden. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung für die Fotolithographie vorteilhaft, weil sie vergleichsweise unempfindlich gegenüber Schwankungen in der Anordnung des auftreffenden Strahls und gegenüber Schwankungen in der örtlichen Energieverteilung des auftreffenden Strahls ist.
Durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung, kann die Intensität, der Winkel- Frequenzinhalt und die Pupillenmusterform des in der Fotolithographie zur Belichtung verwendeten Lichts gesteuert werden. Eine solche Steuerung kann die Auflösung der Abbildung des Originalmusters auf den Wafer für den integrierten Schaftkreis verbessern. Es wurde festgestellt, dass es bei einigen Originalmustern besser ist, wenn das Licht unter bestimmten Winkeln oder Winkelbereichen beleuchtet. Der Homogenisierer liefert Licht unter diesem Winkel, homogenisiert gleichzeitig die gelieferte örtliche Energie und stellt zugleich eine Regelung anderer Eigenschaften des zur Belichtung verwendeten Lichts bereit. Eine solche Regelung kann Resultate in der Halbleiterchipherstellung und in anderen Bereichen, in denen Fotolithographie verwendet wird, verbessern. In Fig. 10 z. B. beleuchtet eine Lichtquelle (nicht dargestellt) einen in der Seitenansicht gezeigten Homogenisierer 10 gemäß der Ausführungsform aus Fig. 4 mit einem kollimierten Eingangsstrahl 14. Der Homogenisierer 10 überträgt einen Großteil des eingestrahlten Lichts unter einer gewünschten Winkelverteilung und mit einer vorausgewählten Intensität und örtlicher Energieverteilung auf die Maske 60, wobei die vorausgewählte örtliche Energieverteilung gleichmäßig ist. Dieser übertragene Teil 20f, 20g dient als Licht zum Belichten. Ein Master oder eine Maske 60 ist dicht bei dem Homogenisierer 10 angeordnet, so dass keine merkliche Änderung der Leistungsverteilung zwischen dem Homogenisierer 10 und der Maske 60 auftritt, wodurch der Strahl sowohl beim Homogenisierer 10 als auch bei der Maske 60 gleichförmig ist. Vorzugsweise ist die Maske 60 nicht in der Ausgangsebene 18 (nicht dargestellt) angeordnet. Der Master 60 wird mit dem gewünschten Licht zur Belichtung 20f, 20g beleuchtet. Der Anteil 20h des zur Beleuchtung bestimmten Lichts 20f, 20g, der nicht durch den Master 60 blockiert wird, wird durch den Master 60 übertragen und beleuchtet eine Linse 62. Dieser Anteil 20h weist die gewünschte, vorausgewählte Winkelverteilung auf. Die Linse 62 überträgt das eingestrahlte Licht 20h ihrerseits aber so dass der Master 60 auf den Wafer 64 abgebildet wird, der z. B. mit einem nicht dargestelltem Fotoresist versehen ist. Die Linse 62 liefert einen gewünschten Verkleinerungsfaktor. Diese Ausführungsform bildet den Master 60 auf den Wafer 64 in der gewünschten Form, genauer in der gewünschten Winkelverteilung, ab. Somit wird der Wafer in der vorausgewählten, gewünschten Weise mit einem Licht belichtet, welches die gewünschten und optimierten Attribute aufweist, und eine Kopie wird erzeugt. Durch eine solche Optimierung der Belichtung, so wie sie gewünscht und benötigt wird, können höhere Erträge z. B. während der Halbleiterchipherstellung erzielt werden. Der Homogenisierer kann dazu verwendet werden, z. B. 0º bis 2º zu blockieren, 2º bis 4º zuzulassen und oberhalb von 4º zu blockieren. Z. B. kann auch ein "top hat" von + 3º bis - 3º durch den Homogenisierer bereitgestellt werden. Die Steuerung der Winkelverteilung und des Frequenzinhalts des übertragenen Lichts geschieht durch die Gestaltung, vorzugsweise mittels eines Computers, von Plateaus 50 und Wegen 52 des Homogenisierers 10.
Das Hologramm 54 ist vorzugsweise ein computergeneriertes Hologramm. Auch die Eigenschaften des computergenerierten Hologramms einschließlich der Winkelverteilung werden unter Verwendung eines Computers gestaltet und gewählt. Die Eigenschaften sind so gewählt, dass sie einen gewünschten, vorausgewählten beleuchteten Targetbereich, eine bestimmte vorausgewählte örtliche Leistungsverteilung in der Ausgangsebene und andere benötigte Eigenschaften erzeugen.
Beim Gestalten der Erfindung bestimmt der Designer die benötigte Winkelverteilung. Der Designer gestaltet ein Fourier-transformiertes Hologramm mit der Intensitätsverteilung in der Fourier-Ebene, die dem gewünschten Winkelbereich entspricht. Der Designer kann z. B. einen Ring von 4º bis 7º, also folglich 3º breit, auswählen. Diese Target würde ein Hologramm mit einem Fernfeldbeugungsmuster eines Rings in der Ausgangsebene 18 ergeben. Für die Verwendung in dem fotolithographischen System aus Fig. 10 wäre die Ausgangsintensität des Hologramms in der Ebene 60 beispielsweise gleichförmig, die Winkelverteilung in der Ebene 60 läge hingegen zwischen 4º und 7º. Das Fourier-transformierte Hologramm weist ein Beugungsstreifenmuster oder ein Phasenübertragungsmuster der Gestalt auf, dass die Fourier-Transformation dieses Musters der gewünschten Übertragung über einen gewünschten Winkelbereich entspricht. Dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Erfindung ist es bekannt, wie ein Fourier-transformiertes Hologramm zu entwerfen ist. Die Fourier-Transformierte wird vorzugsweise auf einem Computer ausgeführt.
Bei der Verwendung der schnellen Fourier-Transformation wird das Muster typischerweise nur an diskreten Orten berechnet. Das Fourier-transformierte Hologramm wird typischerweise wiederholt, um Flecken zu vermeiden oder zu reduzieren. Flecken sind sehr helle und dunkle Lichtpunkte, die aufgrund der Interferenz bei kohärenten Systemen entstehen. Das Muster ist in der vorliegenden Erfindung nicht nachgebildet. Das bevorzugte Verfahren zum Entwerfen des erfindungsgemäßen Fourier-transformierten Hologramms ist, eine iterative Computeroptimierungstechnik anzuwenden, wie z. B. dass oben erwähnte IDO-Verfahren, dass durch den Co-Erfinder Feldman et. al. in der Publikation "Iterative Encoding of High- Efficiency Holograms for Generation of Spot Arrays", Optics Letters, Vol. 14, pp. 479-81, 1989 beschrieben wurde (und deren Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Beschreibung ist), und worin die Ausgabe die Fouriertransformierte Ebene und die Eingabe die CGH-Ebene ist. Neben dem Hologramm, welches mit einer sehr großen Anzahl von Pixeln entworfen wird, trägt in der bevorzugten Ausführungsform die Verwendung von inkohärentem oder teilweise inkohärentem Licht dazu bei, dass das Auftreten von Flecken vermieden wird. Ein Hologramm mit einer sehr großen Anzahl von Pixeln kann eine Abbildung in der Ausgangsebene erzeugen, die nahezu kontinuierlich ist. Ein Fourier-transformiertes Hologramm besitzt die Eigenschaft, dass jeder Punkt der Ausgangsebene einen Beitrag von einem jeden Facettenbereich des Hologramms erhält.
Wenn das Hologramm in der oben beschriebenen Weise entworfen uncl hergestellt ist, wird es in einem Belichtungssystem angeordnet. Wenn das beispielhafte Hologramm von einem kollimierten Strahl willkürlicher Intensitätsverteilung beleuchtet wird, überträgt es einen dem gewünschten Winkel entsprechenden Ring in eine relativ weit vom CGH entfernte Ebene. Wenn der Strahl nicht kollimiert ist, wird der Ring verhältnismäßig weiter, wobei die Weite von dem genauen Konuswinkel der Divergenz des einfallenden Strahls abhängt. In einer dem CGH relativ nahen Ebene wird ein Strahl mit derselben Intensität wie die des Strahls, der das CGH beleuchtet, zu sehen sein, der Strahl wird jedoch in der relativ sehr nahen Ebene eine Winkelverteilung aufweisen, die der des CGH's kombiniert mit der des einfallenden Strahls entspricht.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist das Hologramm 54 derart gestaltet, dass nur bestimmte Targetbereiche in der Ausgangsebene beleuchtet sind. Das heisst, das Hologramm ist derart gestaltet, dass eine vorausgewählte örtliche Leistungsverteilung in der Ausgangsebene einfällt.
In Fig. 4 strahlt ein kollimierter Eingangsstrahl 14 in den Homogenisierer 10 ein, der ein Hologramm 54 mit einer Anordnung 11 von 16 Facettenbereichen 56 aufweist, die durch gestrichelte Linien angedeutet sind (in Fig. 4 ist nur einer von 16 Facettenbereichen bzw. Facetten gestrichelt dargestellt, alle erwähnten 16 sind in Fig. 7 gestrichelt dargestellt). Jeder dieser Facettenbereiche 56 weist ein unregelmäßiges Muster von Plateaus 50 und Wegen 52 auf. Keine zwei dieser Facettenbereiche 56 stimmen überein. Jeder dieser Facettenbereiche 56 ist so konstruiert, dass jeder Teil eines kollimierten darauf auftreffenden optischen Strahls 14 auf ein Target 16 in einer Ausgangsebene 18 gerichtet wird. Ein Teil des kollimierten Strahls 14 wird durch jeden der Facettenbereiche 56 übertragen. Dieser Teil 20c, 20d weist eine vorausgewählte Winkelverteilung auf, die mittels des Facettenbereiches 56 erzeugt wird. Wie in der Beschreibung früherer Ausführungsformen erwähnt, überlappt dieser Teil, der beispielhaft als 20c, 20d dargestellt ist, das Target 16. Die örtliche Energieverteilung, die im einfallenden Strahl 14 gegeben war, ist bei dieser Überlappung in der Ausgangsebene 18 nicht mehr gegeben. Deshalb liegt in der Ausgangsebene eine gleichmäßige örtliche Leistungsverteilung über den gesamten beleuchteten Teil 16, 34 der Ebene 18 vor. Diese Verteilung oder dieses Muster bildet einen Strahl 22. Der Targetbereich bzw. der beleuchtete Teil hat eine vorausgewählte Form. Der beleuchtete Teil 16, 34 der Ebene ist vorausgewählt. In Fig. 4 ist dies ein vorausgewählter Kreis. Der beleuchtete Teil 16, 34 der Ebene weist keine unerwünschten, von scharfen Kanten oder Unterbrechungen zwischen Facetten verursachten Intensitätsschwankungen auf, da solche scharfen Kanten unter Unterbrechungen durch die Verwendung unregelmäßig gemusterter Facetten mit unregelmäßig gemusterten Plateaus und Wegen beseitigt wurden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann der Designer eine gleichmäßige Höhe der örtlichen Leistung der beleuchteten Bereiche in der Ausgangsebene wählen. Der Designer kann bei der vorliegenden Erfindung ferner unterschiedliche Höhen der örtlichen Leistung verschiedener beleuchteter Bereiche in der Ausgangsebene wählen. In Fig. 8 könnte der Designer beispielsweise einen örtlichen Leistungswert der Höhe 1 (willkürliche Einheit) für die obere Hälfte des beleuchteten Kreises 16, 34 und einen örtlichen Leistungswert der Höhe 1,5 (willkürliche Einheit) für die untere Hälfte des beleuchteten Kreises 16, 34 wählen. Die örtliche Leistungsverteilung beinhaltet folglich beides: die Form des beleuchteten Musters in der Ausgangsebene und die örtliche Leistungsverteilung innerhalb des beleuchteten Teils. Die gewählte örtliche Leistungsverteilung ist Homogenisiert und bleibt deshalb trotz Änderungen der Leistungsverteilung des Eingangsstrahl unverändert. Die von dem Designer ausgewählte örtliche Leistungsverteilung wird unmittelbar von der Anwendung abhängen.
Ein Phasenübertragungsmuster ist eine mathematische Beschreibung des Beugungsstreifenmusters. Das heisst das physikalische Beugungsstreifenmuster, z. B. aus Fig. 7, kann mathematisch beschrieben werden; ein Phasenübertragungsmuster ist eine solche mathematische Beschreibung. Der Durchschnittsfachmann kennt Phasenübertragungsmuster und deren mathematische Beziehung zu den Streifen und den Beugungsstreifenmustern.
Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet dieser Erfindung weiß, wie die Fourier- Transformation eines Phasenübertragungsmusters auszuführen ist. Das Fouriertransformierte Hologramm hat ein solches Beugungsstreifenmuster oder Phasenübertragungsmuster, dass die Fourier-Transformierte dieses Musters der gewünschten Übertragung auf einen gewünschten Winkelbereich entspricht. Die Fourier- Transformation wird vorzugsweise mittels eines Computers ausgeführt.
Binäre Phasenelemente sind Elemente, die beim Entwurf und der Herstellung optischer Elemente, wie z. B. Hologramme, verwendet werden. Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung kennt solche Phasenelemente. US 4,895,790 offenbart die Konstruktion solcher Phasenelemente; die Offenbarung dieses Patents ist durch Bezugnahme Gegenstand der vorliegenden Beschreibung.
Konstruktive Änderungen werden dem Fachmann begegnen und mannigfaltige offenbar unterschiedliche Modifikationen und Ausführungsformen wird es geben, ohne von der Erfindung abzuweichen. Das in der vorangegangenen Beschreibung und der dazugehörigen Zeichnung dargelegte Material ist nur als Anschauung zu verstehen. Die vorstehende Beschreibung soll vielmehr erläuternd und nicht beschränkend betrachtet werden und die Erfindung soll nur im Umfang der Ansprüche begrenzt sein.

Claims

1. System zum Konvertieren eines Eingangsstrahls in einen Ausgangsstrahl mit einervorausgewählten räumlichen Energieverteilung bei einem Target, während die Intensitätsvariation minimiert ist, das System umfasst:

ein Hologramm (54) mit einer Anzahl von Bereichen (56) von Beugungsstreifen (70), wobei der Eingangsstrahl (14) zumindest einige der Bereiche (56) beleuchtet, wobei jeder Bereich (56) von Beugungsstreifen (70) auf dem Hologram (54) dazu ausgebildet ist, jeden Teil des darauf auftreffenden Eingangsstrahl (14) im Wesentlichen gleichmäßig auf das gesamte Target (16) zu richten,

dadurch gekennzeichnet,

dass jeder Bereich (56) eine Vielzahl von irregulär gemusterten Beugungsstreifen (70) umfasst, und

dass ein Muster jedes Musterbereichs (56) mit sich selbst nominell korreliert ist und mit dem Muster in allen anderen Musterbereichen (56) nominell unkorreliert ist.

2. Das System nach Anspruch 1, wobei das Target (16) einer vorausgewählten räumlichen Energieverteilung entspricht.

3. System nach Anspruch 1, wobei das Target (16) wesentlich größer als jeder Bereich (56) ist.

4. System nach Anspruch 1, wobei die Bereiche (56) mit einem iterativen Kodierverfahren entworfen werden.

5. System nach Anspruch 1, wobei der Eingangsstrahl (14) kollimiert ist.

6. System nach Anspruch 4, wobei die Bereiche (56) mit einem iterativen Kodierverfahren entworfen werden, so dass jeder Bereich (56) einen Strahl (20) mit einer vorausgewählten Winkelverteilung (32) überträgt.

7. System nach Anspruch 1, wobei der Ausgangsstrahl (20) eine relativ gleichförmige, räumliche Energiegröße und eine vorausgewählte räumliche Energieform aufweist.

8. System nach Anspruch 1 wobei der Ausgangsstrahl (20) ein vorausgewähltes, eckiges Frequenzspektrum aufweist.

9. System nach Anspruch 1, wobei die irregulär geformten Beugungsstreifen (70) ein Muster bilden, das bei Ecken der Bereiche (56) im Wesentlichen stetig ist.

10. System nach Anspruch 1, wobei das Target (16) einer Ausgangsebene (18) oder einer Targetverteilung (34) entspricht.

1l. System nach Anspruch 1, das ferner ein Fotolithographisches System mit einer Maske umfasst, wobei das Hologramm eine Beleuchtung der Maske liefert.

12. System nach Anspruch 1, wobei das Hologramm den Eingangsstrahl (14) über dem Target (16) homogenisiert.