JP3936756B2

JP3936756B2 - レーザビームから鮮鋭な照射線を生成する光学装置

Info

Publication number: JP3936756B2
Application number: JP15345296A
Authority: JP
Inventors: ベルトルト・ブルクハルト; ハンス‐ユルゲン・カーレルト
Original assignee: ミクロラス・レーザーシステム・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
Priority date: 1995-06-01
Filing date: 1996-05-24
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2016-05-24
Also published as: US5721416A; JPH08327942A; DE19520187C1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームの結像および均質化を長軸と短軸の各方向に対して独立して行えるように結像光学システムおよび均質化光学システムをアナモルフィックに配置することによって、エキシマレーザのような高強度レーザから放射されるレーザビームの長軸と短軸を有する鮮鋭な照射線を発生させる光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アナモルフィックな像とは、互いに直角に交わる２つの部分（方向）において結像尺度又は結像寸法が異なるような光学像である。アナモルフィック・システムを備えるこの種の光学装置は、ヨーロッパ特許第０２３２０３７Ａ１号、日本特許第０７０２７９９３Ａ号、およびヨーロッパ特許第０１００２４２Ａ２号に開示されている。
【０００３】
エキシマレーザは高強度のコヒーレント紫外線を放射し、特に、工業的製造分野、医学分野および研究分野に応用されている。また、この種の放射源は、Ｘ線リソグラフィーにも用いられている。
【０００４】
非常に多くの用途において、エキシマレーザから放射されるレーザビームは光学的に処理されなければならない。
【０００５】
エキシマレーザから放射されたままの（本質的に未処理の）レーザビームは、一般的に、その断面の全体にわたって均一な強度分布を有していない。例えば、多くのレーザにおいて、強度分布は進行方向に対して回転対称なベル状の曲線として示されている。エキシマレーザのような横方向ガス放電レーザは、ビーム断面において強度の散乱ピーク値は有していないが、被加工面の均質な照射を得るためには、ビームは均質でなければならない。
【０００６】
特にエキシマレーザを均質化するための装置がドイツ特許第Ａ−４２２０７０５号に記載されている。同じ装置が米国特許第５，４１４，５５９号にも記載されている。以下の記述において、この先行技術は公知と見なされ、これらの特許で示唆された事柄は本明細書で明記されている。
【０００７】
エキシマレーザによって放射されるレーザビームの寸法は、代表的には、約１０×３０ｍｍである。用途によっては、このようなビームは、可能な限り狭く、鮮鋭で、かつ強度分布が均一な照射線を生成するように処理されることが望まれる。例えば、そのような照射線は、エキシマレーザが非晶質Ｓｉ層を再結晶化させて平坦な表示面を生成する場合に用いられる。数百ｍｍの長さと０．０５ないし１ｍｍの幅を有する照射線が、このような状況下において好ましく用いられる。
【０００８】
長くて鮮鋭な線を生成するために短軸を非常に狭く長軸を非常に広くする、導波管に設けられたアナモルフィックな均質化光学システムが、前述の日本特許第０７０２７９９３号に記載されている。同様に、前述のヨーロッパ特許第０２３２０３７号はいわゆるズーム原理を応用することによって得られるアナモルフィック像を記載している。また、ヨーロッパ特許第０１００２４２Ａ２号は、他の先行特許と同じアナモルフィック均質化を示しているが、この例では、スリットの均一な照射が行われていない。なお、この先行技術はダイオードレーザに関するものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記の形式を有する光学装置であって、高いアスペクト比（線長を線幅で割った値）と、可及的に均質な線内エネルギー分布と、照射線の高いエッジ鮮明度と、大きい視野深さを有する照射線を生成する光学装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するための本発明による光学装置は、長軸と短軸の各方向に対してレーザビームを独立して結像および均質化するように結像光学システムと均質化光学システムをアナモルフィックに配置し、均質化されたレーザビームによって照射されるスリットからの均質化されたビームを、短軸の方向において縮小し、スリットを照射面上に結像すると共に、長軸の方向において縮小せずに照射面上に照射することを特徴とする。短軸の方向にレーザビームを結像および均質化するには、スリットが均質に照射され、かつそのスリットが光学システムによって照射面に結像されるとよい。
【００１１】
アナモルフィック像は、結像尺度又は像寸法が互いに直交する２つの部分において異なるような光学像、具体的には非軸対称像である。ここでは、２つの互いに直交する部分は、細長い照射線の長軸と短軸の各方向である。換言すれば、これら２つの互いに直交する方向に対してレーザビームの結像と均質化が独立して、アナモルフィックに行われる。
【００１２】
本発明の好適な一変形例において、レーザビームは、照射線の長軸に関しては、前記のスリットに結像されず、照射面、すなわち、照射線が形成される被処理物の面に直接結像される。
【００１３】
他の好適な変形例において、前記のスリットを（短軸の方向に）縮小して結像する結像光学システムは、結像側においてテレセントリック系（絞りが対物レンズの焦点の１つに置かれている望遠鏡光学系）である。各結像点に対して光軸と平行な主光線を与えるような光学システムは、テレセントリックである。結像側においてテレセントリックな光学システムの場合、射出瞳が無限距離に配置される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付の図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１、図２に例示される光学的配置構造は、本質的に公知の方法によってパルスビーム１２を放射するエキシマレーザ１０を備えている。放射されるエキシマレーザビーム１２の寸法は、例えば、５×４０ｍｍである。このレーザビームは、以下に述べる光学系によって、照射線Ｂ（図１、図２の下方の右側）を生成するように処理される。
【００１６】
図１、図２の光学システムは、全体として、長軸と短軸方向におけるレーザビーム１２の処理が主として独立に行われるという意味でアナモルフィック・システムを構成している。これは、図１、図２でそれぞれ例示されている。
【００１７】
エキシマレーザ１０から放射されたビーム１２は、まず、必要であれば減衰器１４を経て、次に、アナモルフィックな円筒レンズテレスコープ１６に入射する。この円筒レンズテレスコープ１６によって、ビームは、線径が縮小される次の光学系の入口開口１８の寸法に調整される。ここで、エキシマレーザ１０の近視野は、以下に詳細に示される均質化光学系２０、２２の入口開口（図示せず）の付近を透過する。均質化光学系２０、２２としては、前述のドイツ特許第Ａ−４２２０７０５号および米国特許第５，４１４，５５９号に記載されている均質化装置が好ましい。ドイツ特許第３８２９７２８Ａ１号および第３８４１０４５Ａ１号に記載されている他の均質化光学系を用いることもできるが、好ましくはない。
【００１８】
さらに、レーザビームの均質化は、アナモルフィックに行われる。
【００１９】
照射線のいわゆる短軸を得るために（すなわち、照射線のビーム径を典型的に０．０５ないし１ｍｍの幅に減少させるために）、まず、図１に示されるように、スリット２６が均質化光学システム２２とフィールドレンズ２４を介して均質に照射される。本例においては、スリット２６が効率的に（すなわち、レーザによって供給される放射エネルギーを最も有効に利用するように）均質的に照射されることが特に大きな特徴である。本明細書で特に引用している前記の米国特許第５，４１４，５５９号に記載の均質化光学系を用いた場合、その特許に詳述されている第１レンズ列（いわゆる照射配列２２ａ、すなわち、光の入射側に配置されたレンズ）は、いわゆる結像配列２２ｂ（すなわち像に対向する結像レンズ）からｆ（２）の距離だけ離間して配置されている。なお、この距離ｆ（２）は結像レンズの焦点距離である。このように、照射視野の最適なエッジ鮮明度がスリット２６の面において得られる。
【００２０】
照射線Ｂの短軸Ａｓを生成するには、次に、スリット２６が円筒レンズシステム３２によって照射面４０の物体３８に結像される。図示されるように、ビームはミラー２８で偏向され、縮小光学系３２に達する前にその射出瞳３０に入射する。
【００２１】
縮小光学系３２によって照射面４０においてこのような縮小された結像が得られ、その結果として、照射線Ｂは光学システム３２の結像特性に依存する鮮鋭さ（エッジ鮮明度）が得られる。光学システム３２は、スリット２６の縮小された結像が、例えば、５：１の比率で得られるように、（レンズのように）機能させることができる。この型式の光学システムは縮小光学系の解像度（ＮＡ）に依存して数ηｍにまでエッジ鮮明度を向上させることができる。また、エッジ鮮明度の向上に伴って、優れた視野深さを得ることもできる。こうして、結像側において０．１の照射解像度（ＮＡ）に対して、２０ηｍのエッジ鮮明度と典型的に±２００ηｍの視野深さが得られる。
【００２２】
この実施例において、照射線Ｂが生成される面４０にスリット２６を結像させる光学システム３２は、結像側でテレセントリックである。換言すると、この光学システム３２では、主ビームは処理される物体３８の面４０に対して垂直に方向づけられている。フィールドレンズ２４と照射瞳３０は、偏向ミラーおよび他の光学要素の表面でのエネルギー密度が低く保持されて、表面積が高エネルギーレーザ光によって変化せずにその結果として長い寿命が保証（１０億パルス以上）されるように、配置されるとよい。
【００２３】
さらに、短軸の生成に関する図示された光学要素の配置構造は、多くの場合、真空室（図示せず）に置かれて処理される物体３８からの加工距離を非常に大きく取ることができる。真空室の窓３６が、図１、図２で概略的に示されている。縮小光学系３２と窓３６間の間隙、また、窓３６と物体３８間の間隙はより大きく（１０ないし２０ｃｍ以上）保つ必要がある。このようにして、部分的に透明なミラー３４が部分ビーム４４（数％）を分岐させる空間を設けることができ、この部分ビーム４４を固体結像変換器４８の顕微鏡レンズ４６によって結像させてビームプロフィルを監視することができる。
【００２４】
図２に示されるように、好ましくは前記のドイツ特許第４２２０７０５Ａ１号又は米国特許第５，４１４，５５９号に記載されているような均質化光学システム２０によって、照射線Ｂの長軸Ａ_lが得られる。均質化光学システム２０によって得られる結像面は、照射線Ｂの面４０、すなわち、処理される物体３８の面にスリット２６の縮小された像を生成する光学システム３２の結像面内に存在する。均質化光学システム２０による結像は、大きな視野深さと放射エネルギー分布の良好な均質性を得るために、例えば、３０ないし４０倍の倍率で行われる。
【００２５】
図３および図４は、前記の光学システムによって得られた結果、すなわち、極めて鮮鋭なエッジを有する非常に高いアスペクト比（大きい長さ、小さい幅）の照射線Ｂ、を例示している。図５は、照射線Ｂの形状と寸法を説明するための図である。なお、図５は、単に例示に過ぎず、尺度は正確ではない。照射線Ｂの長軸Ａ_lはその長さに対応し、短軸Ａｓはその幅に対応する。図４は、図５の線Ｉ−IIに沿った断面図であり、図３に示された先行技術の状態と比較して、強度分布における高精細なエッジ鮮明度と断面の全体にわたって極めて良好な放射エネルギー分布が得られていることを示している。例えば、２０μｍのエッジ鮮明度が得られている。換言すれば、放射強度は、２０μｍ以下の距離で実質的に零からフルスケールの値に達している（図４参照）。
【００２６】
上記の光学システムは、さらに以下の利点を有している。結像尺度は処理される物体３８の位置には実質的に依存せず、フレームエッジのコントラストにのみ依存する。照射線のエネルギー密度は、その幅が解像度の大きさにならない限り、実質的に一定である。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明は構成されているので、高いアスペクト比と、可及的に均質な線内エネルギー分布と、照射線の高いエッジ鮮明度と、大きい視野深さを有する照射線を生成する光学装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鮮鋭な照射線を生成するための本発明による光学装置の概略図であり、照射線のいわゆるビーム短軸を生成するためのビーム経路を説明する図である。
【図２】鮮鋭な照射線を生成するための本発明による光学装置の概略図であり、照射線のいわゆるビーム長軸を生成するためのビーム経路を説明する図である。
【図３】先行技術による照射線の強度分布の断面図である。
【図４】本発明によって得られる照射線の強度分布の断面図である。
【図５】照射線の寸法と各軸を説明するための照射線の上面図である。
【符号の説明】
１０エキシマレーザ
１２レーザビーム
１６円筒レンズテレスコープ
１８入口開口
２０、２２均質化光学系
２４フィールドレンズ
２６スリット
２８ミラー
３０射出瞳
３２円筒レンズシステム
３６窓
３８物体
４０照射面
Ｂ照射線
Ａｓ短軸
Ａ_l 長軸

Claims

エキシマレーザのような高出力レーザ（１０）から放射されたレーザビーム（１２）の長軸及び短軸（Ａ_l、Ａ_S）を有する鮮鋭な照射線を照射面（４０）上に生成する光学装置であって、
前記レーザビームの結像と均質化を前記長軸及び短軸（Ａ_l、Ａ_S）の方向において独立して行うための結像・均質化光学システム（１６、１８、２０、２２、２４、２６、３０、３２）のアナモルフィック構造であって、前記レーザビーム（１２）を前記短軸（Ａ_S）の方向に均質化する第１の均質化光学系（２２）と、前記レーザビーム（１２）を前記長軸（Ａ_l）の方向に均質化する第２の均質化光学系（２０）とを備えるアナモルフィック構造と、
前記均質化されたレーザビームによって照射されるスリット（２６）であって、前記第１の均質化光学系（２２）が前記スリット（２６）を均質に照射するような前記スリット（２６）と、
前記スリット（２６）からの均質化されたビームを、前記短軸（Ａ_S）の方向において縮小し、前記スリット（２６）を前記照射面（４０）上に結像すると共に、前記長軸（Ａ _l ）の方向において縮小せずに前記照射面（４０）上に照射する縮小光学系（３２）と、
を備えることを特徴とする光学装置。
前記スリット（２６）からの均質化されたビームを前記短軸（Ａ_S）の方向に縮小して結像する光学系（３２）は、像と対向する側においてテレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。