对有限空间相干进行补偿的衍射均化器制造技术

提供一种衍射均化器，用于接收激光束并在目标平面产生期望照射图形。该均化器由多个衍射子元件构成，每个子元件影响期望图像的全部或部分。通过组合许多子元件的影响，形成最终图像，实现均化效果。在较佳实施例中，设计子元件以补偿入射激光束的有限空间相干性并控制发射光束的数值孔径分布。每个子元件由大量离散像素构成，各像素改变通过的照射相位一选定量。使用计算机模拟和优化技术选择像素配置，从而子元件中聚焦像素产生的干涉图形形成期望图像或其一部分。还提供一种技术，通过使该子元件中像素选定百分比随机化而减小可能位于激光“热点”的选定子元件形成的图像强度。该衍射均化器可用于各种激光烧蚀、退火和其它激光处理应用。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用衍射光元件使激光等光束均匀并成形的领域。具体而言，本专利技术提供一种衍射和相移元件图形的设计方法，该元件在用激光照射时形成选定的图像。本专利技术还提供一种对图形设计中激光束的部分空间相干进行有效补偿的方法。已有技术讨论激光己应用于许多材料处理工作中，包括烧蚀塑料薄膜、熔焊和钎焊金属、分割和标记金属及非金属以及对含半导体的各种材料进行退火。后一应用包括液相和固相外延、晶体生长、掺杂物激活和扩散，及消除晶格缺陷。熔炉退火可代替激光退火，但需把半导体加热至500度至1000度之间很长时间，无论在方便性还是有效性方面均不如激光退火。紫外(UV)准分子激光最近用作半导体处理工具。典型应用包括半导体退火、激光刻、光淀积、激光产生的化学气相沉积(CVD)、气体浸入激光掺杂(GILD)、微加工和若干其它处理。在几乎所有上述应用中，激光输出光束强度分布均匀性是最重要的。下文，术语“光束均匀性”是指光束强度分布均匀性。目前放电UV准分子激光器技术不能在保持要求的激光输出能量的同时，产生有足够均匀性的激光输出光束。市售的UV准分子激光器不能在光束区域保持足够的均匀程度，以确保充分均匀的能量密度。由于每次投射激光输出光束均匀性中出现偶然和实质上不可预测的变化，使该问题更为复杂。当特征尺寸(例如半导体结构和容差)变小时，激光输出光束均匀性要求变得更为严格。在各类照明系统中，光积分器用于使光束均匀。在多路光积分器中，以两种途径之一使输入光束均匀。光积分器技术通常包含某些类型的激光输出光束(相位或幅度上)的随机化或许多光束段分离和重叠。通过扩散器(一组具有部分重叠输出的透镜、随机相移掩模或阶梯光栅)或十分类似万花筒的管中的多重散射置乱输入光束。或者，可把输入光束分成几段，然后这些段在另一个顶部成像，以平均光束强度的波动。激光束在其整个截面上通常不具有均匀分布的光强。多数激光源确实如此。可例如用对于光束传播方向旋转对称的钟形曲线(高斯分布)来描述许多激光束的强度分布。在所谓不稳定谐振器的情况下，激光束强度的特点是光束截面中间往往有孔。光束外形改变也可能是由于准分子激光器中阳极至阴极的变化。脉冲和连续激光源常发生强度峰(所谓过热点)。它们是光峰截面中的有限区域，其激光束强度远高于其它区域。这种过热点可出现在光束某一位置或在光束截面中移动。在光束整个截面和立体角中光束强度的不规则分布对激光束各种应用不利。例如用激光束烧蚀或加工大面积工件时，不规则的强度分布或强度峰及不均匀或不对称的角能量分布使激光处理恶化。在许多应用中，不仅在提供有用光束前，必须平滑不规则的激光强度分布，而且在整个光束分布区域中光束必须扩展并成形得提供相等(或预定)强度的选定分布。例如，希望用激光烧蚀以在塑料薄膜中形成穿孔。希望通过经限定穿孔位置的掩模的激光束能量，一次可在给定区域形成几百个高精度孔、通路或穿孔。为了在最终产品上获得要求精度和均匀性的特征区域，必须对掩模每个孔施加大致相同的激光能量。为了实现这一点，必须对孔所位于的掩模区域施加高度均匀的激光光束。还希望仅向孔所位于的掩模区域提供激光能量以节能。在一个较佳实施例中，这些孔沿一对狭长条区域设置(如附图说明图1所示)。因而，希望把激光能量导向或会聚成一对狭长光束。在照射区域的整个长度和宽度上，各激光束有高均匀强度分布。USP 4733944和5414559揭示了用于使光束均匀的光折射装置。这些系统使用折射元件，产生有选定尺寸和纵横比的均匀图像。USP 4733944揭示一种产生适用于半导体处理的矩形均匀光束的装置。但是，在该专利中揭示的方法不提供许多目前应用所要求的、形成有任意尺寸和形状的均匀图像的技术。而且，入射光束的有限空间相干(或非零束发散)会使多数已有技术，包括上述专利中所有未经补偿的均化器混乱。USP 5414559提供一种由光束产生空间分隔的均匀照射区的折射配置。该专利的方案要求复杂的折射光学元件配置，该元件专门设计成提供希望的照射区图形。该装置针对解决与本专利技术相同的问题，即，可形成两个有均匀强度分布的细长图像或照射区域，但价格昂贵且不能扩展至更一般的照射区图案。此外，本身不能提供对有限空间相干进行修正或修正数值孔径分布。英国专利申请GB2278458揭示一种激光束均化装置，包括具有紧密封装的衍射菲涅耳型波带片(zone plate)的随机两维阵列的相位波带片阵列。在与主聚焦透镜结合时，该装置可用于给出非均匀强度分布的激光束，在导向工件前，强度分布变得均匀得多。该装置不影响激光束在该工件上产生的图像的形状或大小。USP 4475027揭示一种光束均化器，用分段镜的反射配置，划分并重新引导光束，向平表面提供均匀照射。如该专利图5所示，该专利还揭示一种折射光束均化器。该专利中揭示的反射和折射技术仅提供正方形或长方形图像。该方案不提供许多应用中所要求的，把照射区形成为任意选定形状的能力。在T.Dresel等人的“利用迭代有限元网格适配设计计算机产生的光束成形全息图”(《应用光学》35期35卷，6865-6874页1996年12月10日)一文中，叙述了使用计算机为光束成形产生的全息图。该文献叙述了基于直观有限元网格适配的数字方法，允许为把激光束聚焦于两维重建图形而设计适当的相位函数。通过网格映射完成全息孔径和重建图形的计算，并以直观程序设计构成元上光强等分布的网格。应注意，光束段重叠的所有均化器，包括上述已有技术的均匀器的性能，在合成照射区域的均匀性方面，直接取决于输入光束对称性、光束均化器入射孔的对准情况及激光指向稳定性。如果使用良好对称的光束，但没对准均化器，则产生的照射区将不是完全均匀的。如果向均化器施加不对称光束强度分布，则照射区也同样将是不完全均匀的。包括激光束强度分布的任何连续数学函数，可简化为对称和非对称分布之和。(对于均化器入射孔的)对称部分，作为构成光束不相干叠加的结果，产生完全均匀的输出光束。在总幅度上通常小得多的非对称部分将失去输出光束的均匀性。均化器元件数越多，不均匀分布总变化越小。即使均化器性能和激光束特性是理想的，激光处理系统也显示烧蚀结果均匀程度的变化。对地设计成关于系统光轴对称的系统(包含对光轴对称的球面光、柱面光和非球面光)，实验显示，沿成像透镜视场的烧蚀结果变化可取“微笑”型或“皱眉”型。例如，如果横跨成像透镜视场钻一长排孔，则中心的孔最大(或最小)且其他孔沿工件对称变化。这种变化可因成像透镜色散、各镜片老化效应等引起。对准不良的系统或输入不理想激光束的系统中的变化缺少考虑“微笑”或“皱眉”特点的变化，但是本申请专利技术人的经验是，这是在性能良好系统中极平常发生的情况。如上所述，已有技术的均化器缺少通过改变照射区强度以补偿这些影响从而提供“处理修正”的适应性。上述已有技术不能提供经济、有效和灵活的方法，均化激光光束并提供任意选定的照射图形，同时对光束不理想特性进行补偿。希望提供一种均化光元件，对光束中包括缺少对称和部分空间相干特性的不规则性进行补偿，并提供设计和制造该元件和方法。专利技术概要本专利技术提供一种两级或多级衍射均化器及制造该均化器的方法，该均化器接收非均匀入射激光束能量并相应发送多个独立光束，以形成具有相对均匀强度的选定图像。在本专利技术较佳实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种衍射均化器，用于响应朝其发射的大致单色的照射，产生有预选照射分布的预选照射图形，其特征在于，它包括：多个像素，每个像素形成在衍射均化器的离散区域且其厚度在穿过的照射中产生选定相移；其中，所述像素设置成使通过衍射均化器的照射产生的 干涉图形形成预选照射图形。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RL冈瑟，CL休梅克，
申请(专利权)人：美国三M公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]