基板を処理するための光ビームを生成する光学システム
基板平面（１４）内に配置した基板を処理するための光ビームを生成する光学システムであって、光ビームは、光ビームの伝播方向（Ｚ）に対して垂直な第１次元（Ｘ）内のビーム長（Ｌ）と第１次元（Ｘ）及び光伝播方向（Ｚ）に対して垂直な第２次元（Ｙ）内の光ビーム幅（Ｂ）とを有する、光学システムは、第１次元及び第２次元の少なくとも一方における光ビームを相互に重畳して基板平面（１４）に入射する複数の光路（２４ａ〜２４ｃ）に分割する少なくとも１つの混合光学構成体（１８）を備える。少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体が、光ビームのビーム経路内に存在し、少なくとも１つの他の光路からの１つの光路の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減するよう光ビームに作用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板平面内に配置した基板を処理するための光ビームを生成する光学システムであって、光ビームは光ビームの伝播方向に対して垂直な第１次元内のビーム長と第１次元及び光伝播方向に対して垂直な第２次元内のビーム幅とを有し、該光学システムは少なくとも１つの混合光学構成体を備え、該混合光学構成体は、第１次元及び第２次元の少なくとも一方において、光ビームを複数の光路に分割し、該分割された光路は相互に重畳して基板平面に入射する光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような光学システムは、特許文献１から既知である。
【０００３】
冒頭で述べたタイプの光学システムは、特にシリコンの光誘起結晶化の分野において例えば材料の溶融に使用される。１つの具体的な用途は、シリコンを結晶化するために光ビームを使用してアモルファスシリコンを備えた基板を処理するフラットスクリーン製造である。この場合、使用する基板は、例えば３０ｃｍ×５０ｃｍを超える範囲の比較的大きな寸法を有する。冒頭で述べたタイプの光学システムでは、第１次元内（以下、Ｘで示す）のビーム長が基板の幅（例えば、約３０ｃｍ）にほぼ対応する光ビームを然るべく生成する。Ｘ次元に対して垂直であり、さらに光ビームの伝播方向（以下、Ｚで示す）に対して垂直に延びる次元（以下、Ｙで示す）では、光ビームは細い。
【０００４】
こうして基板に適用される光ビームは、したがって、Ｘ次元内のビーム長とＹ次元内のビーム幅との比が大きく、ビーム長に応じて５，０００を超え、さらに１０，０００を超える場合がある。
【０００５】
この場合、基板の処理に使用される光ビームは、光ビームの強度分布が少なくとも（長い）Ｘ次元内で可能な限り均一で、短いＹ次元内でも可能な限り均一であるという要件を満たさなければならない。
【０００６】
上記特許文献１から既知の光学システムは混合光学構成体を備え、混合光学構成体は、Ｘ次元内で相互に並んで配置される複数のレンズ、例えばシリンドリカルレンズをそれぞれが有する２つのレンズアレイと、コンデンサ光学ユニットとを含む。概して、混合光学構成体は、混合により、すなわち光ビームを部分光線に分割してそれらを重畳させることにより、基板平面内の光ビームの光を均一化する役割を果たす。
【０００７】
理解の簡略化のために、混合光学構成体が（長い）Ｘ次元内の光ビームの均一化のみを行う場合を以下で考える。
【０００８】
図１は、既知の光学システムをさらに簡略化して全体的な参照符号１を付して示す。
【０００９】
光学システム１は、光学混合構成体２を備え、光学混合構成体２は、ここでは説明を簡略化するために、３つの個別レンズ２ａ，２ｂ，２ｃのみを備えるレンズアレイとコンデンサ光学ユニット３とを有し、コンデンサ光学ユニット３の焦点間隔をｆｃで示す。参照符号４は、コンデンサ光学ユニット３が合焦する基板平面を表す。
【００１０】
伝播方向Ｚに伝播する入射光ビーム５は、混合光学構成体２により複数の部分光線に分割され、混合光学構成体２が３つの個別レンズ２ａ，２ｂ，２ｃを有する簡略化した例では、このとき光ビーム５が３つの光路６ａ，６ｂ，６ｃに沿って対応して伝播する３つの部分光線に分割される。それぞれ隣接する光路６ａ，６ｂ，６ｃ間の間隔を図１にＬで示す。個々の部分光線又は光路６ａ，６ｂ，６ｃは、コンデンサ光学ユニット３により基板平面内４で相互に重畳される。したがって、光は、３つの光路６ａ，６ｂ，６ｃに従って基板平面４の視野点に至る。
【００１１】
複数の光路６ａ，６ｂ，６ｃへの光ビーム５の分割及び基板平面４内でのそれらの重畳により、異なる光路６ａ，６ｂ，６ｃからの光間の干渉の結果として生じる強度コントラストが基板４において生じ得る。図１において、右側の部分図に、強度Ｉを基板平面４における座標ｘに対して示す。干渉現象により、強度Ｉはそれゆえ均一とならない。
【００１２】
相互に対して傾斜した２つの部分光線それぞれが干渉すると、周期的な干渉パターンがそれぞれ生じ、これらが続いて重畳する。隣接するレンズ間の間隔Ｌが同一であるレンズアレイについてここに示す場合では、生じる干渉周期は相互の倍数である。間隔ｎ×Ｌを有する２つの光路からの光の干渉の干渉周期ｐｎ、波長λ、及びコンデンサ光学ユニット３の焦点間隔ｆｃの間には、以下の関係がある。
【００１３】
【数１】
【００１４】
概して、光路間隔Ｌの種々の倍数ｎＬに関連する種々の干渉周期ｐｎは、基板平面４内でに重畳的に生じる。
【００１５】
本発明は、少なくとも１つの混合光学構成体が光路毎に一定の光路間隔Ｌを有する光路を生成する光学システムに制限されず、光路間隔Ｌが光路毎に変わり得る光学システムも包含することに留意すべきである。後者の場合、干渉パターンは、不規則なパターンを形成するよう重畳される多数の異なる干渉周期を有する。
【００１６】
基板平面４内の干渉コントラストを低減するために、特許文献１は、光ビームを混合光学構成体に入射する前に複数の部分光線に分割し、個々の部分ビームを混合光学構成体に種々の入射角で入射させることを提案している。混合光学構成体に対する個々の部分光線の入射角を変えることで生じる干渉パターンは、入射角の選択が適切であるとすれば基板平面内で相互にオフセットしており、個々の部分光線が相互にインコヒーレントである場合はＸ次元内で一定の強度Ｉを合わせてもたらすものである。
【００１７】
複数の非平行部分光線への入射光ビームの分割は、既知の光学システムにおけるミラーにより行われ、該ミラーはパルス伸長モジュールに配置される。
【００１８】
既知の光学システムの１つの欠点は、基板平面内の干渉コントラストを低減又は排除するために、個々の部分光線により発生する干渉パターンが干渉周期の半分の奇数倍で相互にオフセットされるのに十分なほど正確に、個々の部分光線間の角度オフセットを設定することが困難であることにあり得る。さらに、既知のタイプのパルス伸長モジュールは、概して、さらに大きな入射角を有するさらに弱い部分光線を多数発生させ、これも同様に問題となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】国際出願第２００７／１４１１８５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、基板平面内の干渉コントラストを単純な方法で少なくとも低減するという趣旨で冒頭で述べたタイプの光学システムを開発するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、この目的は、冒頭で述べた光学システムに関して、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（coherence-influencing optical arrangement）が光ビームのビーム経路内にあり、少なくとも１つの他の光路からの１つの光路の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減するように、光ビームに作用することにより達成される。
【００２２】
本発明は、入射光ビームを光線の伝播方向に対して横断方向の複数の光路に分割する少なくとも１つの混合光学構成体を備える光学システムにおいて、少なくとも１つの光路間隔に関して、該光学システムに入射する光の横方向コヒーレンス度を低減し、好適には該横方向コヒーレンス度をゼロの値まで最小化するという概念に基づく。換言すれば、本発明は、種々の光路からの光の干渉性が低いか又は一切干渉不可能であるような程度まで横方向コヒーレンスを低減することを目指す。
【００２３】
この目的で、単純な方法で、調整費用を増加させることなく、少なくとも１つの他の光路からの１つの光路の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減することを可能にする、好適な手段手段について以下で説明する。
【００２４】
１つの手段は、光路に対して横断方向の光ビームの横方向コヒーレンス長と、少なくとも２つの隣接する光路間の光路間隔との比を減らすこと、また好適にはこの比を２未満に、さらに好適には１未満に設定することにある。
【００２５】
光路に対して横断方向の光ビームの横方向コヒーレンス長が２つの隣接する光路間の光路間隔よりも短い場合、これら２つの光路からの部分光線は相互に干渉し得ず、すなわち基板平面内の干渉現象をこの場合はほぼ完全に回避することができる。使用される光、例えばエキシマレーザからの光の、所定の固有の横方向コヒーレンス長があるとすると、これには、光路間隔を増加させること、すなわち伝播方向に対して横断する光ビームの所定の範囲について、少なくとも１つの混合光学構成体をより少ない光学素子で構成することが必要であり得るが、これは混合光学構成体の均一化効果を低減させる。
【００２６】
さらに別の好適な手段では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体が、光路に対して横断方向の光ビームを複数の横方向にオフセットした部分光線に分割し、その相互間の伝播経路差が部分光線の光の時間的コヒーレンス長よりも大きいようなものとする、ビームスプリッタ構成体を有する。
【００２７】
この手段の場合、ビームスプリッタ構成体が発生させた相互に横方向にオフセットした複数の部分光線は、光の時間的コヒーレンス長よりも大きな伝播経路差で相互に分離される。横方向コヒーレンス長が同じままである場合、この構成体はビーム幅を４倍にし、これにより、横方向コヒーレンス長と光路間隔との比をこれに対応して低減することができる。半透明ミラー、プリズム（全反射を用いる）、オフセット板等をビームスプリッタ構成体として使用することができる。既知の光学システムとは対照的に、部分光線は相互に平行であり得る。
【００２８】
さらに別の好適な手段では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体はコヒーレンスコンバータ構成体を備え、コヒーレンスコンバータ構成体は、２つの次元の一方における光ビームを複数の部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と、部分光線を他方の次元の方向で相互に並べて配置するビーム再整列（beam resorting）構成体とを有する。
【００２９】
本発明で使用することができるこのようなコヒーレンスコンバータ構成体は、独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１８ ５０４号明細書に記載されている。このようなコヒーレンスコンバータ構成体は、光ビームのＸ次元内で、発散の増加と、それに対応したコヒーレンス度の低減及びビーム幅に関する光の横方向コヒーレンス長の短縮とをもたらす。
【００３０】
さらに別の好適な構成では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体は、平面状であり相互に対して角度をなして傾斜した光入射面及び光出射面を有する少なくとも１つの光学素子を備え、少なくとも１つの光学素子は複屈折素子である。
【００３１】
複屈折楔の使用は、マイクロリソグラフィ用の投影露光装置の照明系に関する文献である米国特許第５，２５３，１１０号明細書からそれ自体が既知である。しかしながら、本発明では、このような複屈折光学素子、例えば楔は、横方向コヒーレンス長と２つの隣接する光路間の光路間隔との比が少なくとも２未満であるよう設定されるという上記手段と組み合わせて使用されることが好ましい。これは、複屈折光学素子を使用して、干渉次数（及びその奇数倍）、特に第１干渉次数を目標通りに抑制することができる結果として、横方向コヒーレンス長と光路間隔との比をそのような複屈折光学素子がない場合の２倍の大きさに選択することができ、これは逆に、同じ干渉比の場合は少なくとも１つの混合光学構成体の光路の数を２倍の大きさに選択することができることを意味し、これは少なくとも１つの混合光学構成体の均一化効果を向上させるからである。
【００３２】
少なくとも１つの複屈折光学素子の干渉抑制効果は、光学素子の光入射面と光出射面との間の角度を、少なくとも１つの光路間隔に関して光学素子により導入される常光線と異常光線との間の位相差が光波長の半分の奇数倍となるよう選択することにより改善することができる。
【００３３】
結果として、常光線及び異常光線により発生した干渉パターンは波長の半分で相互にオフセットし、２つの干渉パターンの和が光ビームの対応の次元で一定の強度分布を生じるようになる。
【００３４】
特に好適なのは、上記少なくとも１つのビームスプリッタ構成体、少なくとも１つの複屈折素子、及び横方向コヒーレンス長と光路間隔との比を２未満、好適には１未満に設定する上記手段の組み合わせである。同様に、上記少なくとも１つのコヒーレンスコンバータをこれらの手段とさらに組み合わせることができる。
【００３５】
これらの手段の組み合わせは、基板平面内の干渉コントラストを回避するためのコヒーレンス度のさらにより効果的な低減又はコヒーレンス関数の最小化につながる。
【００３６】
少なくとも１つの複屈折光学素子は、光ビームの伝播方向で少なくとも１つの混合光学構成体の下流に配置されることが好ましい。
【００３７】
さらに好適な手段では、１つの混合構成体の代わりに複数の混合光学構成体が直列に配置される。
【００３８】
この場合、基板平面内の干渉パターンの空間的周期が低減され、複屈折素子の使用が促進されることが有利である。
【００３９】
コヒーレンス度を低減するさらに別の手段では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体が音響光学変調器（ＡＯＭ）を有する。
【００４０】
音響光学変換器（ＡＯＭ）は、例えば一端に配置した圧電素子により音波を発生させる光学素子を有する。この場合、音波の伝播方向は入射光ビームに対して垂直に延びる。ＡＯＭでは、音波がもたらす屈折率の空間変調は音波の速度と共に変わる。これにより、ＡＯＭを通過する光には位相ずれδが生じ、これは位置及び時間に依存し、波長の端数で示すと（specified in fractions of the wavelength）以下の形態を有する。
δ（ｘ，ｔ）＝ａ ｓｉｎ［２π（ｘ／Λ−ｆｓｔ）］
この場合、ａは、音響振幅及び光軸の方向の音場の範囲に応じて変わる。Λは音波の波長であり、ｆｓは音波の周波数である。ＡＯＭの材料により規定される音速により、波長Λを、励起素子、例えば圧電素子による音波の励起周波数ｆｓにより変化させることが可能である。
【００４１】
時間依存位相ずれが種々の場所からの光の無相関をもたらす結果として、横方向コヒーレンスが低減する。光路間隔Ｌに関するコヒーレンス度の低減、したがって干渉コントラストの低減は、ＡＯＭの振幅ａ及び波長Λと光路間隔Ｌとに応じて変わる。
【００４２】
上述の手段のさらに別の構成では、ＡＯＭの音響波長Λ及び音響振幅ａは、条件Ｊ０［│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│］≪１が少なくとも１つの光路間隔に関して満たされるよう設定され、式中、Ｊ０は０次のベッセル関数である。
【００４３】
音響波長Λが光路間隔Ｌに等しい場合を除き、上述の条件は、適当な音響振幅ａにより常に満たすことができる。ベッセル関数の引数の周期性により、この条件は値Ｌ＋ｍΛにも当てはまり、対称性により、これは値（Λ−Ｌ）＋ｍΛにも当てはまり、式中、ｍは整数である。
【００４４】
したがって、１つのＡＯＭが多数の光路間隔に関する横方向コヒーレンスをすでに大幅に低減している。介在光路間隔についても、同程度の低減が達成されないとしてもＡＯＭは無効ではない。
【００４５】
複数のＡＯＭが存在し、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するためにＡＯＭ毎に音響波長及び／又は音響振幅の設定が異なることが特に好ましい。
【００４６】
代替的に、設けられる光学アセンブリの数を減らす目的で、ＡＯＭが１つだけ存在し、このＡＯＭが、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するために、複数の異なる音響波長と場合によっては異なる音響振幅とを同時に発生させるようにしてもよい。
【００４７】
さらに好適な構成では、光ビームがパルス状である場合、少なくとも１つのＡＯＭに加えて少なくとも１つのパルス伸長モジュールがビーム経路内に配置される。
【００４８】
すでに上述したように、動的位相差により、ＡＯＭは、種々の場所で光の無相関をもたらす。この無相関は、特に連続波動作におけるレーザの場合のように、均一な強度を有する可能な限り多くの音響周期にわたって平均化を行うことができる場合にのみ完成する。これに対して、例えば２０ｎｓのパルス持続時間が例えば２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの典型的ＡＯＭ周波数の範囲内（周期持続時間１０ｎｓ〜５０ｎｓ）にある、エキシマレーザ等の短パルスレーザの場合、この条件は満たされず、残留干渉コントラストが基板平面内で生じる。ここで、ＡＯＭと組み合わせて少なくとも１つのパルス伸長モジュールを光線のビーム経路内に配置するという上述の手段は、上述のこの欠点を回避する。パルス伸長モジュールは、光線の個々の光パルスを伸長する。これは例えば、パルス伸長モジュールに入射する光ビームが２つの部分光線に分割されること、及び２つの部分光線の一方がパルス伸長モジュールの遅延線を通過して、遅延線を通過しなかった他方の部分光線に加わることにより行われる。これはより長いパルスを発生させ、そのエンベロープは入力パルスのパルス持続時間でさらに変調される。
【００４９】
言うまでもなく、光パルスをさらにより伸長することが基板平面内の干渉コントラストの低減に有用である場合、これを行うために複数のパルス伸長モジュールを設けることができる。
【００５０】
この場合、ＡＯＭの音響可聴周波数を伸長パルスと協調させて、像平面内の干渉コントラストを１０％未満、好適には５％未満、さらに好適には１％未満となるようにすることがさらに好ましい。
【００５１】
これは、パルス伸長の場合にも、基板平面内の干渉コントラストの増加を引き起こすＡＯＭの音響周波数範囲があることを考慮に入れることが有利である。これらの音響周波数範囲は、可能であれば可聴周波数と一致させないことが意図される周期的強度変調を発生させる、パルス伸長モジュールにおけるパルスの周回持続時間（circulation duration）に対応する。
【００５２】
上述の手段のさらに別の好適な構成では、ＡＯＭの可聴周波数ｆｓは、少なくとも１つのパルス伸長モジュールにおけるパルスの周回周波数（circulation frequency）に等しくなく、周回周波数の整数倍にも等しくない。
【００５３】
「等しくない」のここでの意味は、ＡＯＭの可聴周波数と１つ又は複数のパルス伸長モジュールにおける周回周波数との一致の結果として生じる基板平面内の残留コントラストを可能な限り回避するのに十分なほど、可聴周波数が周回周波数と異なる（またそれに対応して、１つ又は複数の上記周回周波数の整数倍とも十分に異なる）ことである。好適には、ＡＯＭの可聴周波数と周回周波数及びその整数倍との差は、それぞれ１０％を超える。
【００５４】
音響可聴周波数を協調させる上記手段により達成されるのは、ＡＯＭをパルス伸長モジュールと組み合わせることで、基板平面内で干渉コントラストが可能な限り低減されることである。
【００５５】
この場合も、言うまでもなく、基板平面内の光ビームの干渉現象を可能な限り低減するか又は完全に排除するために、少なくとも１つのＡＯＭ及び／又はパルス伸長モジュールを存在させる手段を上記手段（横方向コヒーレンス長と光路間隔との比の設定、複屈折光学素子、コヒーレンスコンバータ等）と組み合わせることができる。
【００５６】
さらに他の利点及び特徴は、以下の説明及び添付図面から明らかとなるであろう。
【００５７】
言うまでもなく、上記特徴及びこれから後述する特徴は、それぞれ明記した組み合わせだけでなく、本発明の範囲から逸脱せずに他の組み合わせで又は単独でも使用することができる。
【００５８】
本発明の例示的な実施形態を図面に示し、図面を参照して以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】光学システム内で生じる干渉効果を説明するための従来技術による光学システムを示す図である。
【図２】本発明による光学システムの基本概略図を示す図である。
【図３】ａは、コヒーレンス長が長い場合の種々の干渉次数の割合を示す棒グラフである。ｂは、コヒーレンス長が短い場合の種々の干渉次数の割合を示す棒グラフである。
【図４】複屈折素子を設けることにより図２における光学システム内の干渉効果を抑制する手段の例示的な実施形態を示す。
【図５ａ】横方向コヒーレンス長と混合光学構成体の光路間隔との比の影響を示す棒グラフである。
【図５ｂ】図４における複屈折光学素子がない場合の、横方向コヒーレンス長と混合光学構成体の光路間隔との比の影響を示す棒グラフである。
【図５ｃ】図４における複屈折光学素子がある場合の、横方向コヒーレンス長と混合光学構成体の光路間隔との比の影響を示す棒グラフである。
【図６】図４における例示的な実施形態の変更形態を示す図である。
【図７】図２における光学システムの干渉効果を低減する手段のさらに別の例示的な実施形態を示す図である。
【図８】図２における光学システムの干渉効果を低減する手段の図７と同様のさらに別の例示的な実施形態を示す図である。
【図９】図２における光学システムの干渉効果を低減する手段のさらに別の例示的な実施形態を示す。
【図１０】３つの光パルス形状を示す図である。
【図１１】図１０におけるパルス形状に対する図９に示す音響光学変調器の音響周波数の関数としての干渉効果の依存を示す図である。
【図１２】図１１における図から抜き出した拡大図である。
【図１３】干渉を低減する手段が提供されない場合の、図２における光学素子のコヒーレンス関数の例を示す図である。
【図１４】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１５】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１６】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１７】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１８】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１９】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図２０】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図２１】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図２は、基板を処理するための光ビームを生成する光学システムを概略的に示し、該光学システムには全体的な参照符号１０を付してある。
【００６１】
システム１０は、特に、基板上の層を光線により面状に溶融する装置で使用される。より詳細には、光学システム１０は、フラットスクリーン製造のためにアモルファスシリコン製のシリコン層を結晶化する装置で使用される。
【００６２】
このような基板上の層を面状に溶融する装置では、光学システム１０は、光学システム１０と並んでさらに他の光学ユニット（図示せず）、例えば光源、特にレーザ、ビーム拡大光学ユニット等を備える、全体的光学システムの構成部分である。このような全体的光学システムにおいて、図２に示す光学システム１０は、図示のように光伝播方向に見て基板の上流における最後の光学的にアクティブなユニットであり得る。システム１０を、これに対応して光拡大方向に見て、光学システム１０への光入射の仮想光入射平面１２から基板（図示せず）を設置する基板平面１４まで示す。
【００６３】
光学システム１０は、基板平面１４内に光ビームを生成するよう設計され、該光ビームは、以下でＸ次元と称する第１次元内のビーム長ＬＳと以下でＹ次元と称する第２次元内のビーム幅とを有し、Ｙ次元は図２からの図平面に対して垂直である。この場合、ビーム長ＬＳはビーム幅よりもはるかに大きい。ビーム長Ｌｓは１００ｍｍを超え、例えば約３００ｍｍであり、ビーム幅は５０μｍ未満である。
【００６４】
図２において、Ｘ次元及びＹ次元の両方に対して垂直に延びる光伝播方向をＺで示す。光学システム１０をＸＺ平面内で示す図２には、座標系１６を説明のためにさらに示す。
【００６５】
光学システム１０は第１混合光学構成体１８を備える。混合光学構成体１８は光学素子２０を備える。光学素子２０は、Ｘ次元内の入射光ビームを互いに並んで配置される複数の光チャネル又は光路２４ａ〜２４ｃに分割し、説明を簡略化するために図示の例示的な実施形態では３つのこのような光路２４ａ〜２４ｃのみを示す。
【００６６】
光学素子２０は、シリンドリカルレンズアレイの形態で具現され、個別シリンドリカルレンズの各シリンダー軸は、Ｙ次元内に、すなわち図２における図平面に対して垂直に延びる。個別シリンドリカルレンズアレイの代わりに、２つのシリンドリカルレンズアレイから構成されたフライアイコンデンサを使用することも可能である。
【００６７】
図２において、個別レンズは両凹シリンドリカルレンズとして図示されているが、言うまでもなく、レンズは、例えば平凸等の他の形状を有することもできる。
【００６８】
光学素子２０の光路２４ａ〜２４ｃは、Ｘ次元内で光学素子２０に入射する光ビームを複数の部分視野に分割し、３つの部分視野２８ａ，２８ｂ、及び２８ｃを例として図２に示す。
【００６９】
第１光学構成体１８は、シリンドリカルレンズアレイに加えて付加的なコンデンサ光学ユニット３０も備える。
【００７０】
光学システム１０はさらに別の混合光学構成体３６を有し、混合光学構成体３６は、混合光学構成体１８の上流に配置され、回折又は散乱光学素子３８及びコンデンサ光学ユニット４０を備え、すでに予備混合された入射光ビームを混合光学構成体１８へ指向させる。
【００７１】
さらに、光学システム１０は、小さなビーム幅を有する光ビームを基板平面１４内に集束させるために、Ｙ次元内でのみ光ビームに作用する光学構成体４６を備える。
【００７２】
混合光学構成体１８に関しては、図１を参照してすでに上述したように、混合光学構成体１８に入射する光ビームが複数の部分光線を光路２４ａ〜２４ｃに従ってＸ次元において基板平面１４内で分割される際、干渉効果が生じてこれが基板平易面１４内の直線光ビームにおける干渉コントラストにつながり得る。
【００７３】
基板平面１４内のこのような干渉現象又は干渉コントラストを排除しないとしても少なくとも低減するために、種々の手段を以下で説明する。
【００７４】
本発明は、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体を光ビームのビーム経路内に配置し、この光学構成体が、少なくとも１つの他の光路からの１つの光路の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減するように、光ビームに作用するという概念に基づく。
【００７５】
干渉コントラストを低減する種々の手段を詳細に論じる前に、「横方向コヒーレンス長」及び「コヒーレンス関数」という用語について以下で説明する。
【００７６】
図１３は、典型的なコヒーレンス関数のプロファイルを示す。間隔Ｌを任意単位で横座標に示す。例として、図２における混合光学構成体１８の光路２４ａ〜２４ｃのうちの個々の光路間の光路間隔を、単位として選択することができる。その場合、間隔Ｌ＝２は、１つおいて隣の光路から関心の光路の側部までの１光路の間隔を意味する。
【００７７】
０〜１の値（０％〜１００％）をとり得るコヒーレンス度を縦座標に示す。値１は完全なコヒーレンスを意味し、値０は完全なインコヒーレンスを意味する。
【００７８】
一般性に制限を設けることなく、Ｘ次元内の横方向コヒーレンスをここでは考慮するが、混合光学システム１８がＹ次元内の混合も行うか、又は対応の混合光学構成体が構成体１８に加えて設けられる場合にも同じことが言える。
【００７９】
図１３に示す例示的なコヒーレンス関数は、概ねガウスプロファイルを有する。以下の説明は全て、他のコヒーレンス関数、特に非ガウスコヒーレンス関数、単調非減少コヒーレンス関数（coherence functions which do not fall monotonically）、又はすでに最小又は零点を有するコヒーレンス関数にも同様に当てはまる。
【００８０】
コヒーレンス長は、コヒーレンス度Ｋが所定の値に低下する間隔Ｌを意味すると理解されたい。一般性に制限を設けることなく、本明細書では、コヒーレンス長は、コヒーレンス度が１０％の値（０．１）に低下した間隔Ｌであると見なされる。図１３において、これは間隔Ｌ＝３の場合である。
【００８１】
以下で説明する手段は、横方向コヒーレンス長の短縮を目指すものである。
【００８２】
第１手段は、光ビームの横方向コヒーレンス長と光路間隔（間隔Ｌ）との比を２未満に、好適には１未満に設定することにある。
【００８３】
光路２４ａ〜２４ｃに対して横断方向の光ビームの横方向コヒーレンス長と、２つの隣接する光路間の光路間隔Ｌとの比が１未満に設定される場合、干渉現象をほぼ完全に回避することができる。これは、この場合に、光路２４ａ〜２４ｃのうちの隣接する光路が相互に干渉し得ない、又は相互に干渉したとしても僅かにしか干渉し得ないからである。
【００８４】
図３ａは、コヒーレンス長が長い場合の、種々の干渉周期Ｐｎによる全干渉コントラストへの寄与を光路ｎの関数として示し、図３ｂは、コヒーレンス長が短い場合の、種々の干渉周期Ｐｎの寄与を示す。したがって、横方向コヒーレンス長を短縮することにより、干渉の割合を大幅に低減することが可能である。
【００８５】
図４は、コヒーレンスに影響する光学構成体５０を示す。光学構成体５０は、ここでは複屈折光学素子５２を備え、複屈折光学素子５２の光入射面５０及び光出射面５６は、平面であり相互に対して角度をなして傾斜している。
【００８６】
複屈折光学素子５２は、光入射面５４に入射する光ビームを常光線及び異常光線に分割し、常光線をここでは実線で示し、異常光線を破線で示す。光入射面５４と光出射面５６との間の角度は、この場合、少なくとも１つの光路間隔に関して光学素子５２により導入される常光線と異常光線との間の位相差が、光ビームの光の波長の半分の奇数倍であるよう選択される。このように、部分常光線により発生する干渉縞及び部分異常光線により発生する干渉縞は、干渉周期の半分で相互にオフセットするため、基板平面１４におけるＸ次元内の光線の強度は、相互にインコヒーレンスであることにより、均一な強度分布Ｉとなる。
【００８７】
この場合、複屈折素子５２の結晶の空間的配向を、常光線及び異常光線の強度が可能な限り同一であるよう選択することが好ましく、これは相互にオフセットした干渉パターンが正確に相殺し合うようにするためである。これは、ＸＹ平面内の結晶軸が偏光面に対して４５°の角度にある場合に果たされる。
【００８８】
図５ａは、横方向コヒーレンス長が混合光学構成体１８′の隣接する光路２４′間の光路間隔以下である場合の、種々の干渉次数ｎの割合Ｐｎを示す棒グラフである。干渉現象は、このような短い横方向コヒーレンス長の選択により十分に抑制される。図５ｂは、横方向コヒーレンス長が隣接する光路間の光路間隔の２倍以下でしかない場合を示す。この場合、第１干渉次数Ｐ１の寄与は依然として大きく、Ｐ２及びｎ＞２である場合のそれ以上の全干渉次数Ｐｎしか抑制されない。次に、図５ｃは、横方向コヒーレンス長が隣接する光路間の光路間隔の２倍以下であり、複屈折光学素子５２がさらにビーム経路内にある場合を示す。図５ｂに示すＰ１の寄与を図５ｃにおいて破線で示し、複屈折素子５２を使用した場合のＰｎの寄与を実線で示す。
【００８９】
図５ｃから明らかなように、非平行平面の光入射面及び光出射面を有する少なくとも１つの複屈折光学素子５２の使用により、干渉次数（及びその奇数倍）、特に第１（Ｐｎ）干渉次数を目標通りに抑制することができる。これは、光路間隔又は逆に光路の数に対する横方向コヒーレンス長を、このような複屈折光学素子がない場合と比較して大きく選択することを可能にする。
【００９０】
図６は、図４と比較して変更した例示的な実施形態を示し、この実施形態では、コヒーレンスに影響する光学構成体５０′が、非平行平面の光入射面５４′及び光出射面５６′を有する複屈折光学素子５２′を備える。図４に示す例示的な実施形態とは対照的に、図２と同様の２つの混合光学構成体１８″及び３６″が存在する。
【００９１】
複数の混合光学構成体を使用する利点は、特に光ビームの伝播方向に第２混合光学素子２０″がある場合に、光路間隔Ｌをより大きく選択することができる結果として、基板平面１４″内の干渉周期がそれに対応して小さくなり、光入射面５４′と光出射面５６′との間の角度を同様に小さく選択できることである。光路間隔Ｌが大きくなるにもかかわらず、より高い混合効果が多段混合により達成され、常光線及び異常光線の干渉パターンの相互に対するオフセットが基板平面１４″内において小さくなり、さらに、色収差が低減し、光学システムの調整精度からなる要件が低減する。
【００９２】
図４における複屈折光学素子５２及び図６における複屈折光学素子５２′は、それぞれシリンドリカルレンズアレイ２０′及び２２′と下流のコンデンサ光学ユニット４０′及び４０″との間にそれぞれ配置されるが、複屈折光学素子は、光ビームのビーム経路内の他の場所にも、例えば各混合光学構成体１８′及び１８″の上流、又は完全にその下流、すなわちコンデンサ光学ユニット４０′及び４０″の下流にも配置することができる。
【００９３】
さらに、基板平面１４内の干渉コントラストの低減に有利である場合、２つ以上のこのような複屈折光学素子５２′又は５２″を図２における光学システム１０で使用することができる。
【００９４】
基板平面１４内の干渉コントラストを低減するさらに別の手段は、図２における光学システム１０に代替形態として又は上述の手段に加えて設けられ、これを図７及び図８に示す。
【００９５】
図７は、ビームスプリッタ構成体６２を備えるコヒーレンスに影響する光学構成体６０を示す。例えば部分透過ミラー６４を有するビームスプリッタ構成体６２は、光路２４及び２６に対して横断方向の（すなわちＸ次元内の）光ビームを複数の横方向にオフセットした平行な部分光線６６，６８に分割し、部分光線６６及び６８の相互に対する伝播経路差は、部分光線６６，６８の光の時間的コヒーレンス長よりも大きい。図７に示す例示的な実施形態では、ビームスプリッタ構成体６２は、光ビームを２つの部分光線６６，６８に分割する。部分光線６８は、部分透過ミラー６４における入射光ビームの反射及び全反射ミラー６６における反射の結果として生じる。部分光線６６及び６８は、Ｘ次元内で光学構成体６０により相互に横方向に並んで配置される。入射光ビームを横方向に並んだ配置の複数の部分光線６６，６８に分割することで得られる効果は、光路の総数が同じ場合、ビーム全体のビーム径に対する横方向コヒーレンス長の比が減り、横方向コヒーレンス長と光路間隔との比も同様に減ることである。
【００９６】
図８は、図７と比較して変更したコヒーレンスに影響する光学構成体６０′を示し、この場合、入射光ビームが３つの部分光線６６′，６８′、及び７０′に分割される結果として、光路２４間の光路間隔に関する横方向コヒーレンス長をさらになお短くすることができる。
【００９７】
特定の状況下では、図８に構成体６３で示すように、光学構成体６０又は６０′により導入される横方向ビームオフセットを補正することが有利である。
【００９８】
光学構成体６０及び６０′は、光学システム１０において例えば光入射平面１２の上流に配置することができる。
【００９９】
部分透過ミラーの代わりに、上記ビームスプリッタ構成体は、板、プリズム（全反射を用いる）、及び／又はビームスプリッタ層を使用することもできる。
【０１００】
特に、光学構成体６０又は６０′を、ビームに対して傾斜しており部分ビーム６８を板内で２回反射させつつ部分ビーム６６を通過させる平行平面板として具現することもできる。さらに他の部分光線を多重反射により発生させてもよい。この場合、板の異なる部分が異なる各適合反射率を有するコーティングを有することで、部分光線が同じ強度を有するようにすれば有利である。
【０１０１】
横方向コヒーレンス長を短縮するさらに別の手段は、コヒーレンスに影響する光学構成体（図示せず）を光ビームのビーム経路内に配置することにあり、この構成体は、独国特許第１０ ２００６ ０１８ ５０４号明細書におけるコヒーレンスコンバータ構成体を備える。このようなコヒーレンスコンバータ構成体も同様に、Ｘ次元内の入射光ビームを複数の部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と、続いて部分光線を他方の次元の方向で相互に並べて配置するビーム再整列構成体とを有する。その後、後者の次元内での光ビームの圧縮及び前者の次元内での拡大が行われる。このようなコヒーレンスコンバータ構成体のより詳細な説明については、参照によりその開示を本開示に援用する上記文献を参照されたい。
【０１０２】
図９を参照して、図２における光学システム１０の基板平面１４内の干渉コントラストを低減するさらに他の手段を説明する。以下で説明する手段は、代替形態として又はすでに上述した手段に加えて使用することができる。
【０１０３】
図９は、音響光学変調器（ＡＯＭ）７２を有するコヒーレンスに影響する光学構成体７０を示す。ＡＯＭ７２は、音波７６を発生させる光学素子７４、例えば板を有し、音波７６は、矢印８０で示すように、光学素子７４内で入射光ビーム７８に対して横断方向に伝播する。音波７６は、例えば一端８２に配置された圧電素子（図示せず）により発生させることができる。光学素子７４を伝播する音波７６には、光学素子７４が入射光ビーム７８のための回折格子又は位相格子として働くという効果がある。音波７６は、約５ＭＨｚ〜１ＧＨｚの超音波範囲の超音波周波数ｆｓを有し得る。
【０１０４】
音波７６は、光学素子７４を通過すると、光学素子７４内で周期的な密度変調、したがって周期的な屈折率変調を引き起こし、これが上記回折格子又は位相格子の効果を生む。これにより、ＡＯＭ７２を通過する光には位相ずれδが生じ、これは位置及び時間に依存し、波長の端数で示すと以下の形態を有する。
δ（ｘ，ｔ）＝ａ ｓｉｎ［２π（ｘ／Λ−ｆｓｔ）］ （２）
この場合、ａは、音響振幅及び光軸の方向の音場の範囲に応じて変わる。Λは音波の波長を示し、ｆｓは音波の周波数を示す。
【０１０５】
時間依存位相ずれが種々の場所からの光の無相関をもたらす結果として、横方向コヒーレンスが低減する。光路間隔Ｌに関するコヒーレンス度の低減、したがって干渉コントラストの低減は、ＡＯＭの振幅ａ及び波長Λと光路間隔Ｌとに応じて変わる。
【０１０６】
ＡＯＭ７２は、図２における混合光学構成体１８と相互作用し、混合光学構成体１８はこれに入射する光ビームを複数の部分視野２８ａ，２８ｂ，２８ｃに分割してこれらを基板平面１４内で相互に重畳させるが、ＡＯＭ７２はこの場合、光路２４及び２６に関して、上記光路間の間隔に関する横方向コヒーレンスが低減され、それに対応して干渉が低減されるよう設計される。
【０１０７】
特に、ＡＯＭ７２の音響波長Λ及び音響振幅ａは、以下の条件：
Ｊ０［│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│］≪１ （３）
が少なくとも１つの光路間隔Ｌに関して満たされるよう設定することができ、式中、Ｊ０は０次のベッセル関数である。
【０１０８】
定義ｘ０＝│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│を用いると、ベッセル関数の零点Ｊ０は、ｘ０＝２．４０４８３，５．５２００８，８．６５３７３，１１．７９１５，…である。
【０１０９】
Ｌ＝Λが正確に当てはまらない場合、条件（３）は、音波７６の振幅の適切な選択により常に満たすことができる。正弦波の周期性により、この条件は値Ｌ＋ｍΛにも当てはまり、対称性により、これは値（Λ−Ｌ）＋ｍΛにも当てはまる。特に好適なのは、条件（３）がさらに他の光路間隔Ｌに関して満たされる場合又は積分の値が少なくとも≪１である場合である。
【０１１０】
【表１】
【０１１１】
条件（３）の特別な場合も、図１７及び１８を参照して後述する。
【０１１２】
比Ｌ／Λの互いに素の倍数（relatively prime multiples）と、対応して大きくなるＡＯＭ７２の周波数ｆｓ及び対応して大きくなるベッセル関数Ｊ０のさらに他の零点ｘ０に関連する振幅とも、同じ効果で可能である。しかしながら、ＡＯＭ７２の設計はこれらの場合に制限されない。基板平面１４内の１つ又は複数の干渉次数を大幅に低減するＡＯＭ７２の周波数ｆｓ及び振幅ａには多くの組み合わせがある。
【０１１３】
ここで最適条件を見出すために、ＡＯＭ７２の音響波長Λ及び／又は音響振幅は、上記条件（３）を可能な限り満たすために調整可能である。
【０１１４】
しかしながら、特に、以下の条件：
ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）＞０．７５ （４）
を特定の又は典型的な光路間隔Ｌに関して満たす全範囲が有用である。
【０１１５】
上述の条件が満たされる場合、ベッセル関数Ｊ０は＜０．５となる。
【０１１６】
次に図９を再度参照して、光学システム１０のさらに別の態様を、光源（図示せず）、例えばレーザが発生させる光ビーム８４がパルス状である、すなわち一連の個別光パルスからなる場合について説明する。図９は、このような光パルス８６を概略的に示す。
【０１１７】
すでに上述したように、動的位相差により、ＡＯＭ７２は種々の場所で光の無相関をもたらす。この無相関は、特に連続波動作におけるレーザの場合のように、均一な強度を有する可能な限り多くの音響周期にわたって平均化を行うことができる場合にのみ完成する。これに対して、例えば２０ｎｓのパルス持続時間が例えば２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの典型的ＡＯＭ周波数の範囲内（周期持続時間１０ｎｓ〜５０ｎｓ）にある、エキシマレーザ等の短パルスレーザの場合、この条件は満たされず、残留干渉コントラストが基板平面１４内で生じる。
【０１１８】
したがって、基板平面１４内のこのような干渉コントラストを回避するために、図９に示すＡＯＭ７２をパルス伸長モジュール８８と組み合わせる。パルス伸長モジュール８８は、ここでは概略的に単なる例として４つのミラー９０，９２，９４，９６の構成体として示される。パルス伸長モジュール８８の任意の他の設計、特にそれ自体が既知のものをここで使用してもよい。パルス伸長モジュール８８は、入力側にビームスプリッタ９８、例えば半透明ミラーを有し、これは、入射光ビーム８４を第１（反射）部分光線１０及び（透過）第２部分光線１０２に分割する。部分光線１０２は、パルス伸長モジュール８８を短い経路で通過するが、部分光線１００は、ミラー９０，９２，９４，９６により形成される遅延部を通過し、ビームスプリッタ９８に再度衝突した後に他方の部分光線１０２と共にパルス遅延モジュール８８から取り出される。ミラー９０，９２，９４，９６により画定される遅延部の寸法を適宜決めることにより、遅延部を通過した光パルスは、遅延部を通過していない光パルスに直接随伴して、光パルス８６の長さの約２倍の長さを有する光パルス１０４を発生させる。
【０１１９】
図１０に、光パルス１０４の強度Ｉを時間ｔに対して示す。パルス１０４の強度は、光パルス８６よりもゆっくりと低下する。さらに、光パルス１０４の強度は、パルス伸長モジュール８８におけるパルス１００の周回持続時間に対応する固有のタイムスケールを有する変調を有する。
【０１２０】
言うまでもなく、１つだけのパルス伸長モジュール８８の代わりに、直列に配置された複数のパルス伸長モジュールを設けることができる。図１０は、連続配置された３つのパルス伸長モジュールを通過した後に元の光パルス８６から整形された光パルス１０６の強度を示す。ここでも、強度のエンベロープにおいて変調が現れる。
【０１２１】
この場合、少なくとも１つのパルス伸長モジュール８８とＡＯＭ７２との組み合わせを使用して、基板平面１４内の干渉により生じるコントラストを低減することが有利である。この目的で、音響周波数ｆｓ又はその整数倍ｎ×ｆｓを伸長パルスと協調させて、像平面内の干渉により生じる像コントラストが１０％未満、好適には５％未満、さらに好適には１％未満となるようにする。
【０１２２】
基板平面１４内の干渉コントラストに対するパルス伸長の効果を説明するために、図１１は、図１０における３つのパルス形状８６，１０４，１０６に関してＡＯＭを使用した場合の音響周波数ｆｓを横座標に、残留干渉コントラストを縦座標に示す。
【０１２３】
図１１において、曲線１０８は、図１０におけるパルス８６のパルス形状、すなわち元の（短い）光パルス８６に関する基板平面１４内の干渉コントラストのプロファイルを、音響周波数ｆｓの関数として表す。音響周波数ｆｓが高いほど、音響周期持続時間とレーザ光のパルス持続時間との比が小さくなり、残留干渉コントラストが小さくなり、これは多数の音響周期にわたって平均化を行うことができるからである。曲線１１０は、パルス１０４（パルス伸長モジュール８８を光ビームが通過中）に関する音響周波数ｆｓへの干渉コントラストの依存を示し、曲線１１２は、図１０におけるパルス１０６に関する音響周波数ｆｓへの干渉コントラストの依存を示し、パルス１０６は連続配置された３つのパルス伸長モジュールを光ビームが通過中である時に対応する。
【０１２４】
図１１から分かるように、対応する数のパルス伸長モジュールにより光パルスのパルス持続時間を伸長することにより、基板平面１４内の干渉コントラストが広範囲の音響周波数ｆｓにわたって実質的に低減される。結果として、パルス光ビームのパルス持続時間の延長が、干渉コントラストの低減、したがって基板平面１４内の光ビームの均一性の改善をすでにもたらしている。
【０１２５】
しかしながら、縦座標を拡大した点で図１１におけるグラフの細かい表示である図１２に示すように、曲線１１２に従った３倍に伸長された光パルスの場合も、干渉コントラストが残りの音響周波数範囲ｆｓよりも依然として大幅に高い周波数範囲がある。この場合、このように増加した干渉コントラストは、例えばｆｓ≒４０ＭＨｚの範囲内にある。干渉コントラストが依然として増加する周波数範囲ｆｓは、各パルス伸長モジュールにおける周回周波数（周回持続時間の逆数）に対応する。さらに、これらの周回周波数の倍数において、さらに他の最大値が生じる。
【０１２６】
したがって、音響周波数ｆｓを、最低干渉コントラストを有する周波数範囲が見付かるよう選択しなければならない。音波７６の音響周波数ｆｓは、ＡＯＭ７２において適宜設定されるものとする。
【０１２７】
特に、図１２から明らかなように、音響周波数ｆｓを、パルス遅延モジュールの周回周波数及びその整数倍とは異なるよう選択しなければならない。
【０１２８】
図１３における例示的なコヒーレンス関数に基づき、図１４〜図２１を参照して、光路２４と２６との間の間隔に関する光の横方向コヒーレンス長に対する上述の種々の手段の影響について説明する。
【０１２９】
図１４は、図７に例として示すようにビームスプリッタ構成体がビーム経路内にある手段の場合の、コヒーレンス関数のプロファイル（実線）を示す。図１４から明らかなように、２つの部分光線（図７における部分光線６６，６８）へのビーム分割により、同一のビーム断面でコヒーレンス長が１／２に短縮される。したがって、１０％の値のコヒーレンス度Ｋが１．５の間隔Ｌですでに得られる。
【０１３０】
図１５は、コヒーレンス関数に対する複屈折素子の影響を示す。ここでは、少なくとも１つの楔形複屈折素子を使用し、その光入射面と光出射面との間の角度を、２つの隣接する光路間のコヒーレンス度、すなわちＬ＝１の場合のコヒーレンス関数がゼロになるよう選択した。図１５から明らかなように、コヒーレンス関数のさらに他の零点はＬ＝３、Ｌ＝５で生じる。
【０１３１】
図１６は、間隔Ｌ＝１に効果を適合させた楔形複屈折素子の組み合わせと、コヒーレンス関数に対する２つの部分光線（図７を参照）へのビーム分割との、コヒーレンス関数に対する効果を示す。隣接する光路間の光路長がＬ＝１である場合、個々の光路間の干渉が事実上完全に抑制されることが図２から明らかである。１つの光路の光とそれに直接隣接する光路の光との干渉さえも、１０％未満に低減される。
【０１３２】
図１７は、ａ＝１．２０２４１の音波７６の振幅ａ及び（図１７の横座標の単位で）Λ＝２の音響波長Λを有する音響光学変調器７２の効果を示す。
【０１３３】
コヒーレンス関数の零点は、音響波長Λの半分（Ｌ＝１）及びその奇数倍（Ｌ＝３，５）で生じる。
【０１３４】
図１８は、ａ＝１．３８８４３の音波７６の振幅及びΛ＝３の音響波長Λを有する音響光学変調器７２の効果を示す。
【０１３５】
この場合、コヒーレンス関数の零点は、Λ／３の倍数、すなわちＬ＝１、Ｌ＝２、Ｌ＝４で生じる。
【０１３６】
図１９は、図１８と同じパラメータを有するが、図７に示す入射光ビームを２つの部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と組み合わせた、音響光学変調器の効果を示す。
【０１３７】
この場合、混合光学構成体の隣接する光路間の干渉効果は、この干渉抑制手段の組み合わせによりほぼ完全に排除される。
【０１３８】
図２０は、音響光学変調器７２を２つの異なる音響波長Λ又は２つの異なる音響周波数ｆｓで動作させた場合のコヒーレンス関数を示し、図１７及び図１８における例からの音響波長Λを使用した。
【０１３９】
この効果は、図１７及び図１８に従ったパラメータを有する２つの音響光学変換器の直列配置に対応する。異なる周波数及び／又は音響振幅で動作する２つ以上の音響光学変調器を使用する代わりに、種々の周波数及び振幅で励起される単一の音響光学変調器を使用することも可能である。
【０１４０】
図２０によれば、コヒーレンス関数の零点は、Ｌ＝１，２，３，４，５で生じ、零点間の範囲内でも同様にコヒーレンス度Ｋは１０％未満に低減される。
【０１４１】
図２１は、図１８に従ったパラメータを有する音響光学変調器を、図１５からのものに対応するコヒーレンス関数に対する効果を有する複屈折素子と共に使用した場合の、コヒーレンス関数を示す。
【０１４２】
この場合、零点はＬ＝１で生じ、これは音響光学変調器及び複屈折素子に由来する。ＡＯＭ７２又は複屈折素子５２及び５２′の干渉低減効果がそれぞれ単独では最適でない場合、コヒーレンス度をゼロにするためにこれら２つの手段がＬ＝１においてこうして相互に補間し合うことが有利である。
【０１４３】
図２１におけるコヒーレンス度のさらに他の零点は、ＡＯＭに由来するＬ＝２、複屈折素子に由来するＬ＝３、及びＡＯＭに由来するＬ＝４等にある。
【０１４４】
図１４〜図２１に示すコヒーレンス関数は、単に例として理解すべきである。図１３のコヒーレンス関数以外の、したがって非ガウスのコヒーレンス関数も考えられる。要件に応じて、上記干渉低減手段を、コヒーレンス関数に適宜異なる効果を及ぼすよう設計することもできる。例として、図１４〜図２１に示す例とは対照的に、コヒーレンス関数の零点を不等間隔で分布させることもできる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板平面内に配置した基板を処理するための光ビームを生成する光学システムであって、光ビームは光ビームの伝播方向に対して垂直な第１次元内のビーム長と第１次元及び光伝播方向に対して垂直な第２次元内のビーム幅とを有し、該光学システムは少なくとも１つの混合光学構成体を備え、該混合光学構成体は、第１次元及び第２次元の少なくとも一方において、光ビームを複数の光路に分割し、該分割された光路は相互に重畳して基板平面に入射する光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような光学システムは、特許文献１から既知である。
【０００３】
冒頭で述べたタイプの光学システムは、特にシリコンの光誘起結晶化の分野において例えば材料の溶融に使用される。１つの具体的な用途は、シリコンを結晶化するために光ビームを使用してアモルファスシリコンを備えた基板を処理するフラットスクリーン製造である。この場合、使用する基板は、例えば３０ｃｍ×５０ｃｍを超える範囲の比較的大きな寸法を有する。冒頭で述べたタイプの光学システムでは、第１次元内（以下、Ｘで示す）のビーム長が基板の幅（例えば、約３０ｃｍ）にほぼ対応する光ビームを然るべく生成する。Ｘ次元に対して垂直であり、さらに光ビームの伝播方向（以下、Ｚで示す）に対して垂直に延びる次元（以下、Ｙで示す）では、光ビームは細い。
【０００４】
こうして基板に適用される光ビームは、したがって、Ｘ次元内のビーム長とＹ次元内のビーム幅との比が大きく、ビーム長に応じて５，０００を超え、さらに１０，０００を超える場合がある。
【０００５】
この場合、基板の処理に使用される光ビームは、光ビームの強度分布が少なくとも（長い）Ｘ次元内で可能な限り均一で、短いＹ次元内でも可能な限り均一であるという要件を満たさなければならない。
【０００６】
上記特許文献１から既知の光学システムは混合光学構成体を備え、混合光学構成体は、Ｘ次元内で相互に並んで配置される複数のレンズ、例えばシリンドリカルレンズをそれぞれが有する２つのレンズアレイと、コンデンサ光学ユニットとを含む。概して、混合光学構成体は、混合により、すなわち光ビームを部分光線に分割してそれらを重畳させることにより、基板平面内の光ビームの光を均一化する役割を果たす。
【０００７】
理解の簡略化のために、混合光学構成体が（長い）Ｘ次元内の光ビームの均一化のみを行う場合を以下で考える。
【０００８】
図１は、既知の光学システムをさらに簡略化して全体的な参照符号１を付して示す。
【０００９】
光学システム１は、光学混合構成体２を備え、光学混合構成体２は、ここでは説明を簡略化するために、３つの個別レンズ２ａ，２ｂ，２ｃのみを備えるレンズアレイとコンデンサ光学ユニット３とを有し、コンデンサ光学ユニット３の焦点間隔をｆｃで示す。参照符号４は、コンデンサ光学ユニット３が合焦する基板平面を表す。
【００１０】
伝播方向Ｚに伝播する入射光ビーム５は、混合光学構成体２により複数の部分光線に分割され、混合光学構成体２が３つの個別レンズ２ａ，２ｂ，２ｃを有する簡略化した例では、このとき光ビーム５が３つの光路６ａ，６ｂ，６ｃに沿って対応して伝播する３つの部分光線に分割される。それぞれ隣接する光路６ａ，６ｂ，６ｃ間の間隔を図１にＬで示す。個々の部分光線又は光路６ａ，６ｂ，６ｃは、コンデンサ光学ユニット３により基板平面内４で相互に重畳される。したがって、光は、３つの光路６ａ，６ｂ，６ｃに従って基板平面４の視野点に至る。
【００１１】
複数の光路６ａ，６ｂ，６ｃへの光ビーム５の分割及び基板平面４内でのそれらの重畳により、異なる光路６ａ，６ｂ，６ｃからの光間の干渉の結果として生じる強度コントラストが基板４において生じ得る。図１において、右側の部分図に、強度Ｉを基板平面４における座標ｘに対して示す。干渉現象により、強度Ｉはそれゆえ均一とならない。
【００１２】
相互に対して傾斜した２つの部分光線それぞれが干渉すると、周期的な干渉パターンがそれぞれ生じ、これらが続いて重畳する。隣接するレンズ間の間隔Ｌが同一であるレンズアレイについてここに示す場合では、生じる干渉周期は相互の倍数である。間隔ｎ×Ｌを有する２つの光路からの光の干渉の干渉周期ｐｎ、波長λ、及びコンデンサ光学ユニット３の焦点間隔ｆｃの間には、以下の関係がある。
【００１３】
【数１】
【００１４】
概して、光路間隔Ｌの種々の倍数ｎＬに関連する種々の干渉周期ｐｎは、基板平面４内でに重畳的に生じる。
【００１５】
本発明は、少なくとも１つの混合光学構成体が光路毎に一定の光路間隔Ｌを有する光路を生成する光学システムに制限されず、光路間隔Ｌが光路毎に変わり得る光学システムも包含することに留意すべきである。後者の場合、干渉パターンは、不規則なパターンを形成するよう重畳される多数の異なる干渉周期を有する。
【００１６】
基板平面４内の干渉コントラストを低減するために、特許文献１は、光ビームを混合光学構成体に入射する前に複数の部分光線に分割し、個々の部分ビームを混合光学構成体に種々の入射角で入射させることを提案している。混合光学構成体に対する個々の部分光線の入射角を変えることで生じる干渉パターンは、入射角の選択が適切であるとすれば基板平面内で相互にオフセットしており、個々の部分光線が相互にインコヒーレントである場合はＸ次元内で一定の強度Ｉを合わせてもたらすものである。
【００１７】
複数の非平行部分光線への入射光ビームの分割は、既知の光学システムにおけるミラーにより行われ、該ミラーはパルス伸長モジュールに配置される。
【００１８】
既知の光学システムの１つの欠点は、基板平面内の干渉コントラストを低減又は排除するために、個々の部分光線により発生する干渉パターンが干渉周期の半分の奇数倍で相互にオフセットされるのに十分なほど正確に、個々の部分光線間の角度オフセットを設定することが困難であることにあり得る。さらに、既知のタイプのパルス伸長モジュールは、概して、さらに大きな入射角を有するさらに弱い部分光線を多数発生させ、これも同様に問題となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】国際出願第２００７／１４１１８５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、基板平面内の干渉コントラストを単純な方法で少なくとも低減するという趣旨で冒頭で述べたタイプの光学システムを開発するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明によれば、この目的は、冒頭で述べた光学システムに関して、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（coherence-influencing optical arrangement）が光ビームのビーム経路内にあり、少なくとも１つの他の光路からの１つの光路の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減するように、光ビームに作用することにより達成される。
【００２２】
本発明は、入射光ビームを光線の伝播方向に対して横断方向の複数の光路に分割する少なくとも１つの混合光学構成体を備える光学システムにおいて、少なくとも１つの光路間隔に関して、該光学システムに入射する光の横方向コヒーレンス度を低減し、好適には該横方向コヒーレンス度をゼロの値まで最小化するという概念に基づく。換言すれば、本発明は、種々の光路からの光の干渉性が低いか又は一切干渉不可能であるような程度まで横方向コヒーレンスを低減することを目指す。
【００２３】
この目的で、単純な方法で、調整費用を増加させることなく、少なくとも１つの他の光路からの１つの光路の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減することを可能にする、好適な手段手段について以下で説明する。
【００２４】
１つの手段は、光路に対して横断方向の光ビームの横方向コヒーレンス長と、少なくとも２つの隣接する光路間の光路間隔との比を減らすこと、また好適にはこの比を２未満に、さらに好適には１未満に設定することにある。
【００２５】
光路に対して横断方向の光ビームの横方向コヒーレンス長が２つの隣接する光路間の光路間隔よりも短い場合、これら２つの光路からの部分光線は相互に干渉し得ず、すなわち基板平面内の干渉現象をこの場合はほぼ完全に回避することができる。使用される光、例えばエキシマレーザからの光の、所定の固有の横方向コヒーレンス長があるとすると、これには、光路間隔を増加させること、すなわち伝播方向に対して横断する光ビームの所定の範囲について、少なくとも１つの混合光学構成体をより少ない光学素子で構成することが必要であり得るが、これは混合光学構成体の均一化効果を低減させる。
【００２６】
さらに別の好適な手段では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体が、光路に対して横断方向の光ビームを複数の横方向にオフセットした部分光線に分割し、その相互間の伝播経路差が部分光線の光の時間的コヒーレンス長よりも大きいようなものとする、ビームスプリッタ構成体を有する。
【００２７】
この手段の場合、ビームスプリッタ構成体が発生させた相互に横方向にオフセットした複数の部分光線は、光の時間的コヒーレンス長よりも大きな伝播経路差で相互に分離される。横方向コヒーレンス長が同じままである場合、この構成体はビーム幅を４倍にし、これにより、横方向コヒーレンス長と光路間隔との比をこれに対応して低減することができる。半透明ミラー、プリズム（全反射を用いる）、オフセット板等をビームスプリッタ構成体として使用することができる。既知の光学システムとは対照的に、部分光線は相互に平行であり得る。
【００２８】
さらに別の好適な手段では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体はコヒーレンスコンバータ構成体を備え、コヒーレンスコンバータ構成体は、２つの次元の一方における光ビームを複数の部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と、部分光線を他方の次元の方向で相互に並べて配置するビーム再整列（beam resorting）構成体とを有する。
【００２９】
本発明で使用することができるこのようなコヒーレンスコンバータ構成体は、独国特許出願公開第１０ ２００６ ０１８ ５０４号明細書に記載されている。このようなコヒーレンスコンバータ構成体は、光ビームのＸ次元内で、発散の増加と、それに対応したコヒーレンス度の低減及びビーム幅に関する光の横方向コヒーレンス長の短縮とをもたらす。
【００３０】
さらに別の好適な構成では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体は、平面状であり相互に対して角度をなして傾斜した光入射面及び光出射面を有する少なくとも１つの光学素子を備え、少なくとも１つの光学素子は複屈折素子である。
【００３１】
複屈折楔の使用は、マイクロリソグラフィ用の投影露光装置の照明系に関する文献である米国特許第５，２５３，１１０号明細書からそれ自体が既知である。しかしながら、本発明では、このような複屈折光学素子、例えば楔は、横方向コヒーレンス長と２つの隣接する光路間の光路間隔との比が少なくとも２未満であるよう設定されるという上記手段と組み合わせて使用されることが好ましい。これは、複屈折光学素子を使用して、干渉次数（及びその奇数倍）、特に第１干渉次数を目標通りに抑制することができる結果として、横方向コヒーレンス長と光路間隔との比をそのような複屈折光学素子がない場合の２倍の大きさに選択することができ、これは逆に、同じ干渉比の場合は少なくとも１つの混合光学構成体の光路の数を２倍の大きさに選択することができることを意味し、これは少なくとも１つの混合光学構成体の均一化効果を向上させるからである。
【００３２】
少なくとも１つの複屈折光学素子の干渉抑制効果は、光学素子の光入射面と光出射面との間の角度を、少なくとも１つの光路間隔に関して光学素子により導入される常光線と異常光線との間の位相差が光波長の半分の奇数倍となるよう選択することにより改善することができる。
【００３３】
結果として、常光線及び異常光線により発生した干渉パターンは波長の半分で相互にオフセットし、２つの干渉パターンの和が光ビームの対応の次元で一定の強度分布を生じるようになる。
【００３４】
特に好適なのは、上記少なくとも１つのビームスプリッタ構成体、少なくとも１つの複屈折素子、及び横方向コヒーレンス長と光路間隔との比を２未満、好適には１未満に設定する上記手段の組み合わせである。同様に、上記少なくとも１つのコヒーレンスコンバータをこれらの手段とさらに組み合わせることができる。
【００３５】
これらの手段の組み合わせは、基板平面内の干渉コントラストを回避するためのコヒーレンス度のさらにより効果的な低減又はコヒーレンス関数の最小化につながる。
【００３６】
少なくとも１つの複屈折光学素子は、光ビームの伝播方向で少なくとも１つの混合光学構成体の下流に配置されることが好ましい。
【００３７】
さらに好適な手段では、１つの混合構成体の代わりに複数の混合光学構成体が直列に配置される。
【００３８】
この場合、基板平面内の干渉パターンの空間的周期が低減され、複屈折素子の使用が促進されることが有利である。
【００３９】
コヒーレンス度を低減するさらに別の手段では、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体が音響光学変調器（ＡＯＭ）を有する。
【００４０】
音響光学変換器（ＡＯＭ）は、例えば一端に配置した圧電素子により音波を発生させる光学素子を有する。この場合、音波の伝播方向は入射光ビームに対して垂直に延びる。ＡＯＭでは、音波がもたらす屈折率の空間変調は音波の速度と共に変わる。これにより、ＡＯＭを通過する光には位相ずれδが生じ、これは位置及び時間に依存し、波長の端数で示すと（specified in fractions of the wavelength）以下の形態を有する。
δ（ｘ，ｔ）＝ａ ｓｉｎ［２π（ｘ／Λ−ｆｓｔ）］
この場合、ａは、音響振幅及び光軸の方向の音場の範囲に応じて変わる。Λは音波の波長であり、ｆｓは音波の周波数である。ＡＯＭの材料により規定される音速により、波長Λを、励起素子、例えば圧電素子による音波の励起周波数ｆｓにより変化させることが可能である。
【００４１】
時間依存位相ずれが種々の場所からの光の無相関をもたらす結果として、横方向コヒーレンスが低減する。光路間隔Ｌに関するコヒーレンス度の低減、したがって干渉コントラストの低減は、ＡＯＭの振幅ａ及び波長Λと光路間隔Ｌとに応じて変わる。
【００４２】
上述の手段のさらに別の構成では、ＡＯＭの音響波長Λ及び音響振幅ａは、条件Ｊ０［│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│］≪１が少なくとも１つの光路間隔に関して満たされるよう設定され、式中、Ｊ０は０次のベッセル関数である。
【００４３】
音響波長Λが光路間隔Ｌに等しい場合を除き、上述の条件は、適当な音響振幅ａにより常に満たすことができる。ベッセル関数の引数の周期性により、この条件は値Ｌ＋ｍΛにも当てはまり、対称性により、これは値（Λ−Ｌ）＋ｍΛにも当てはまり、式中、ｍは整数である。
【００４４】
したがって、１つのＡＯＭが多数の光路間隔に関する横方向コヒーレンスをすでに大幅に低減している。介在光路間隔についても、同程度の低減が達成されないとしてもＡＯＭは無効ではない。
【００４５】
複数のＡＯＭが存在し、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するためにＡＯＭ毎に音響波長及び／又は音響振幅の設定が異なることが特に好ましい。
【００４６】
代替的に、設けられる光学アセンブリの数を減らす目的で、ＡＯＭが１つだけ存在し、このＡＯＭが、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するために、複数の異なる音響波長と場合によっては異なる音響振幅とを同時に発生させるようにしてもよい。
【００４７】
さらに好適な構成では、光ビームがパルス状である場合、少なくとも１つのＡＯＭに加えて少なくとも１つのパルス伸長モジュールがビーム経路内に配置される。
【００４８】
すでに上述したように、動的位相差により、ＡＯＭは、種々の場所で光の無相関をもたらす。この無相関は、特に連続波動作におけるレーザの場合のように、均一な強度を有する可能な限り多くの音響周期にわたって平均化を行うことができる場合にのみ完成する。これに対して、例えば２０ｎｓのパルス持続時間が例えば２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの典型的ＡＯＭ周波数の範囲内（周期持続時間１０ｎｓ〜５０ｎｓ）にある、エキシマレーザ等の短パルスレーザの場合、この条件は満たされず、残留干渉コントラストが基板平面内で生じる。ここで、ＡＯＭと組み合わせて少なくとも１つのパルス伸長モジュールを光線のビーム経路内に配置するという上述の手段は、上述のこの欠点を回避する。パルス伸長モジュールは、光線の個々の光パルスを伸長する。これは例えば、パルス伸長モジュールに入射する光ビームが２つの部分光線に分割されること、及び２つの部分光線の一方がパルス伸長モジュールの遅延線を通過して、遅延線を通過しなかった他方の部分光線に加わることにより行われる。これはより長いパルスを発生させ、そのエンベロープは入力パルスのパルス持続時間でさらに変調される。
【００４９】
言うまでもなく、光パルスをさらにより伸長することが基板平面内の干渉コントラストの低減に有用である場合、これを行うために複数のパルス伸長モジュールを設けることができる。
【００５０】
この場合、ＡＯＭの音響可聴周波数を伸長パルスと協調させて、像平面内の干渉コントラストを１０％未満、好適には５％未満、さらに好適には１％未満となるようにすることがさらに好ましい。
【００５１】
これは、パルス伸長の場合にも、基板平面内の干渉コントラストの増加を引き起こすＡＯＭの音響周波数範囲があることを考慮に入れることが有利である。これらの音響周波数範囲は、可能であれば可聴周波数と一致させないことが意図される周期的強度変調を発生させる、パルス伸長モジュールにおけるパルスの周回持続時間（circulation duration）に対応する。
【００５２】
上述の手段のさらに別の好適な構成では、ＡＯＭの可聴周波数ｆｓは、少なくとも１つのパルス伸長モジュールにおけるパルスの周回周波数（circulation frequency）に等しくなく、周回周波数の整数倍にも等しくない。
【００５３】
「等しくない」のここでの意味は、ＡＯＭの可聴周波数と１つ又は複数のパルス伸長モジュールにおける周回周波数との一致の結果として生じる基板平面内の残留コントラストを可能な限り回避するのに十分なほど、可聴周波数が周回周波数と異なる（またそれに対応して、１つ又は複数の上記周回周波数の整数倍とも十分に異なる）ことである。好適には、ＡＯＭの可聴周波数と周回周波数及びその整数倍との差は、それぞれ１０％を超える。
【００５４】
音響可聴周波数を協調させる上記手段により達成されるのは、ＡＯＭをパルス伸長モジュールと組み合わせることで、基板平面内で干渉コントラストが可能な限り低減されることである。
【００５５】
この場合も、言うまでもなく、基板平面内の光ビームの干渉現象を可能な限り低減するか又は完全に排除するために、少なくとも１つのＡＯＭ及び／又はパルス伸長モジュールを存在させる手段を上記手段（横方向コヒーレンス長と光路間隔との比の設定、複屈折光学素子、コヒーレンスコンバータ等）と組み合わせることができる。
【００５６】
さらに他の利点及び特徴は、以下の説明及び添付図面から明らかとなるであろう。
【００５７】
言うまでもなく、上記特徴及びこれから後述する特徴は、それぞれ明記した組み合わせだけでなく、本発明の範囲から逸脱せずに他の組み合わせで又は単独でも使用することができる。
【００５８】
本発明の例示的な実施形態を図面に示し、図面を参照して以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】光学システム内で生じる干渉効果を説明するための従来技術による光学システムを示す図である。
【図２】本発明による光学システムの基本概略図を示す図である。
【図３】ａは、コヒーレンス長が長い場合の種々の干渉次数の割合を示す棒グラフである。ｂは、コヒーレンス長が短い場合の種々の干渉次数の割合を示す棒グラフである。
【図４】複屈折素子を設けることにより図２における光学システム内の干渉効果を抑制する手段の例示的な実施形態を示す。
【図５ａ】横方向コヒーレンス長と混合光学構成体の光路間隔との比の影響を示す棒グラフである。
【図５ｂ】図４における複屈折光学素子がない場合の、横方向コヒーレンス長と混合光学構成体の光路間隔との比の影響を示す棒グラフである。
【図５ｃ】図４における複屈折光学素子がある場合の、横方向コヒーレンス長と混合光学構成体の光路間隔との比の影響を示す棒グラフである。
【図６】図４における例示的な実施形態の変更形態を示す図である。
【図７】図２における光学システムの干渉効果を低減する手段のさらに別の例示的な実施形態を示す図である。
【図８】図２における光学システムの干渉効果を低減する手段の図７と同様のさらに別の例示的な実施形態を示す図である。
【図９】図２における光学システムの干渉効果を低減する手段のさらに別の例示的な実施形態を示す。
【図１０】３つの光パルス形状を示す図である。
【図１１】図１０におけるパルス形状に対する図９に示す音響光学変調器の音響周波数の関数としての干渉効果の依存を示す図である。
【図１２】図１１における図から抜き出した拡大図である。
【図１３】干渉を低減する手段が提供されない場合の、図２における光学素子のコヒーレンス関数の例を示す図である。
【図１４】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１５】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１６】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１７】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１８】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図１９】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図２０】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【図２１】種々のコヒーレンス関数の１つを示し、図１３に示すコヒーレンス関数を破線で示し、図１３に示すコヒーレンス関数と比較して干渉を低減する種々の手段の影響を受けたコヒーレンス関数を実線で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
図２は、基板を処理するための光ビームを生成する光学システムを概略的に示し、該光学システムには全体的な参照符号１０を付してある。
【００６１】
システム１０は、特に、基板上の層を光線により面状に溶融する装置で使用される。より詳細には、光学システム１０は、フラットスクリーン製造のためにアモルファスシリコン製のシリコン層を結晶化する装置で使用される。
【００６２】
このような基板上の層を面状に溶融する装置では、光学システム１０は、光学システム１０と並んでさらに他の光学ユニット（図示せず）、例えば光源、特にレーザ、ビーム拡大光学ユニット等を備える、全体的光学システムの構成部分である。このような全体的光学システムにおいて、図２に示す光学システム１０は、図示のように光伝播方向に見て基板の上流における最後の光学的にアクティブなユニットであり得る。システム１０を、これに対応して光拡大方向に見て、光学システム１０への光入射の仮想光入射平面１２から基板（図示せず）を設置する基板平面１４まで示す。
【００６３】
光学システム１０は、基板平面１４内に光ビームを生成するよう設計され、該光ビームは、以下でＸ次元と称する第１次元内のビーム長ＬＳと以下でＹ次元と称する第２次元内のビーム幅とを有し、Ｙ次元は図２からの図平面に対して垂直である。この場合、ビーム長ＬＳはビーム幅よりもはるかに大きい。ビーム長Ｌｓは１００ｍｍを超え、例えば約３００ｍｍであり、ビーム幅は５０μｍ未満である。
【００６４】
図２において、Ｘ次元及びＹ次元の両方に対して垂直に延びる光伝播方向をＺで示す。光学システム１０をＸＺ平面内で示す図２には、座標系１６を説明のためにさらに示す。
【００６５】
光学システム１０は第１混合光学構成体１８を備える。混合光学構成体１８は光学素子２０を備える。光学素子２０は、Ｘ次元内の入射光ビームを互いに並んで配置される複数の光チャネル又は光路２４ａ〜２４ｃに分割し、説明を簡略化するために図示の例示的な実施形態では３つのこのような光路２４ａ〜２４ｃのみを示す。
【００６６】
光学素子２０は、シリンドリカルレンズアレイの形態で具現され、個別シリンドリカルレンズの各シリンダー軸は、Ｙ次元内に、すなわち図２における図平面に対して垂直に延びる。個別シリンドリカルレンズアレイの代わりに、２つのシリンドリカルレンズアレイから構成されたフライアイコンデンサを使用することも可能である。
【００６７】
図２において、個別レンズは両凹シリンドリカルレンズとして図示されているが、言うまでもなく、レンズは、例えば平凸等の他の形状を有することもできる。
【００６８】
光学素子２０の光路２４ａ〜２４ｃは、Ｘ次元内で光学素子２０に入射する光ビームを複数の部分視野に分割し、３つの部分視野２８ａ，２８ｂ、及び２８ｃを例として図２に示す。
【００６９】
第１光学構成体１８は、シリンドリカルレンズアレイに加えて付加的なコンデンサ光学ユニット３０も備える。
【００７０】
光学システム１０はさらに別の混合光学構成体３６を有し、混合光学構成体３６は、混合光学構成体１８の上流に配置され、回折又は散乱光学素子３８及びコンデンサ光学ユニット４０を備え、すでに予備混合された入射光ビームを混合光学構成体１８へ指向させる。
【００７１】
さらに、光学システム１０は、小さなビーム幅を有する光ビームを基板平面１４内に集束させるために、Ｙ次元内でのみ光ビームに作用する光学構成体４６を備える。
【００７２】
混合光学構成体１８に関しては、図１を参照してすでに上述したように、混合光学構成体１８に入射する光ビームが複数の部分光線を光路２４ａ〜２４ｃに従ってＸ次元において基板平面１４内で分割される際、干渉効果が生じてこれが基板平易面１４内の直線光ビームにおける干渉コントラストにつながり得る。
【００７３】
基板平面１４内のこのような干渉現象又は干渉コントラストを排除しないとしても少なくとも低減するために、種々の手段を以下で説明する。
【００７４】
本発明は、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体を光ビームのビーム経路内に配置し、この光学構成体が、少なくとも１つの他の光路からの１つの光路の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減するように、光ビームに作用するという概念に基づく。
【００７５】
干渉コントラストを低減する種々の手段を詳細に論じる前に、「横方向コヒーレンス長」及び「コヒーレンス関数」という用語について以下で説明する。
【００７６】
図１３は、典型的なコヒーレンス関数のプロファイルを示す。間隔Ｌを任意単位で横座標に示す。例として、図２における混合光学構成体１８の光路２４ａ〜２４ｃのうちの個々の光路間の光路間隔を、単位として選択することができる。その場合、間隔Ｌ＝２は、１つおいて隣の光路から関心の光路の側部までの１光路の間隔を意味する。
【００７７】
０〜１の値（０％〜１００％）をとり得るコヒーレンス度を縦座標に示す。値１は完全なコヒーレンスを意味し、値０は完全なインコヒーレンスを意味する。
【００７８】
一般性に制限を設けることなく、Ｘ次元内の横方向コヒーレンスをここでは考慮するが、混合光学システム１８がＹ次元内の混合も行うか、又は対応の混合光学構成体が構成体１８に加えて設けられる場合にも同じことが言える。
【００７９】
図１３に示す例示的なコヒーレンス関数は、概ねガウスプロファイルを有する。以下の説明は全て、他のコヒーレンス関数、特に非ガウスコヒーレンス関数、単調非減少コヒーレンス関数（coherence functions which do not fall monotonically）、又はすでに最小又は零点を有するコヒーレンス関数にも同様に当てはまる。
【００８０】
コヒーレンス長は、コヒーレンス度Ｋが所定の値に低下する間隔Ｌを意味すると理解されたい。一般性に制限を設けることなく、本明細書では、コヒーレンス長は、コヒーレンス度が１０％の値（０．１）に低下した間隔Ｌであると見なされる。図１３において、これは間隔Ｌ＝３の場合である。
【００８１】
以下で説明する手段は、横方向コヒーレンス長の短縮を目指すものである。
【００８２】
第１手段は、光ビームの横方向コヒーレンス長と光路間隔（間隔Ｌ）との比を２未満に、好適には１未満に設定することにある。
【００８３】
光路２４ａ〜２４ｃに対して横断方向の光ビームの横方向コヒーレンス長と、２つの隣接する光路間の光路間隔Ｌとの比が１未満に設定される場合、干渉現象をほぼ完全に回避することができる。これは、この場合に、光路２４ａ〜２４ｃのうちの隣接する光路が相互に干渉し得ない、又は相互に干渉したとしても僅かにしか干渉し得ないからである。
【００８４】
図３ａは、コヒーレンス長が長い場合の、種々の干渉周期Ｐｎによる全干渉コントラストへの寄与を光路ｎの関数として示し、図３ｂは、コヒーレンス長が短い場合の、種々の干渉周期Ｐｎの寄与を示す。したがって、横方向コヒーレンス長を短縮することにより、干渉の割合を大幅に低減することが可能である。
【００８５】
図４は、コヒーレンスに影響する光学構成体５０を示す。光学構成体５０は、ここでは複屈折光学素子５２を備え、複屈折光学素子５２の光入射面５０及び光出射面５６は、平面であり相互に対して角度をなして傾斜している。
【００８６】
複屈折光学素子５２は、光入射面５４に入射する光ビームを常光線及び異常光線に分割し、常光線をここでは実線で示し、異常光線を破線で示す。光入射面５４と光出射面５６との間の角度は、この場合、少なくとも１つの光路間隔に関して光学素子５２により導入される常光線と異常光線との間の位相差が、光ビームの光の波長の半分の奇数倍であるよう選択される。このように、部分常光線により発生する干渉縞及び部分異常光線により発生する干渉縞は、干渉周期の半分で相互にオフセットするため、基板平面１４におけるＸ次元内の光線の強度は、相互にインコヒーレンスであることにより、均一な強度分布Ｉとなる。
【００８７】
この場合、複屈折素子５２の結晶の空間的配向を、常光線及び異常光線の強度が可能な限り同一であるよう選択することが好ましく、これは相互にオフセットした干渉パターンが正確に相殺し合うようにするためである。これは、ＸＹ平面内の結晶軸が偏光面に対して４５°の角度にある場合に果たされる。
【００８８】
図５ａは、横方向コヒーレンス長が混合光学構成体１８′の隣接する光路２４′間の光路間隔以下である場合の、種々の干渉次数ｎの割合Ｐｎを示す棒グラフである。干渉現象は、このような短い横方向コヒーレンス長の選択により十分に抑制される。図５ｂは、横方向コヒーレンス長が隣接する光路間の光路間隔の２倍以下でしかない場合を示す。この場合、第１干渉次数Ｐ１の寄与は依然として大きく、Ｐ２及びｎ＞２である場合のそれ以上の全干渉次数Ｐｎしか抑制されない。次に、図５ｃは、横方向コヒーレンス長が隣接する光路間の光路間隔の２倍以下であり、複屈折光学素子５２がさらにビーム経路内にある場合を示す。図５ｂに示すＰ１の寄与を図５ｃにおいて破線で示し、複屈折素子５２を使用した場合のＰｎの寄与を実線で示す。
【００８９】
図５ｃから明らかなように、非平行平面の光入射面及び光出射面を有する少なくとも１つの複屈折光学素子５２の使用により、干渉次数（及びその奇数倍）、特に第１（Ｐｎ）干渉次数を目標通りに抑制することができる。これは、光路間隔又は逆に光路の数に対する横方向コヒーレンス長を、このような複屈折光学素子がない場合と比較して大きく選択することを可能にする。
【００９０】
図６は、図４と比較して変更した例示的な実施形態を示し、この実施形態では、コヒーレンスに影響する光学構成体５０′が、非平行平面の光入射面５４′及び光出射面５６′を有する複屈折光学素子５２′を備える。図４に示す例示的な実施形態とは対照的に、図２と同様の２つの混合光学構成体１８″及び３６″が存在する。
【００９１】
複数の混合光学構成体を使用する利点は、特に光ビームの伝播方向に第２混合光学素子２０″がある場合に、光路間隔Ｌをより大きく選択することができる結果として、基板平面１４″内の干渉周期がそれに対応して小さくなり、光入射面５４′と光出射面５６′との間の角度を同様に小さく選択できることである。光路間隔Ｌが大きくなるにもかかわらず、より高い混合効果が多段混合により達成され、常光線及び異常光線の干渉パターンの相互に対するオフセットが基板平面１４″内において小さくなり、さらに、色収差が低減し、光学システムの調整精度からなる要件が低減する。
【００９２】
図４における複屈折光学素子５２及び図６における複屈折光学素子５２′は、それぞれシリンドリカルレンズアレイ２０′及び２２′と下流のコンデンサ光学ユニット４０′及び４０″との間にそれぞれ配置されるが、複屈折光学素子は、光ビームのビーム経路内の他の場所にも、例えば各混合光学構成体１８′及び１８″の上流、又は完全にその下流、すなわちコンデンサ光学ユニット４０′及び４０″の下流にも配置することができる。
【００９３】
さらに、基板平面１４内の干渉コントラストの低減に有利である場合、２つ以上のこのような複屈折光学素子５２′又は５２″を図２における光学システム１０で使用することができる。
【００９４】
基板平面１４内の干渉コントラストを低減するさらに別の手段は、図２における光学システム１０に代替形態として又は上述の手段に加えて設けられ、これを図７及び図８に示す。
【００９５】
図７は、ビームスプリッタ構成体６２を備えるコヒーレンスに影響する光学構成体６０を示す。例えば部分透過ミラー６４を有するビームスプリッタ構成体６２は、光路２４及び２６に対して横断方向の（すなわちＸ次元内の）光ビームを複数の横方向にオフセットした平行な部分光線６６，６８に分割し、部分光線６６及び６８の相互に対する伝播経路差は、部分光線６６，６８の光の時間的コヒーレンス長よりも大きい。図７に示す例示的な実施形態では、ビームスプリッタ構成体６２は、光ビームを２つの部分光線６６，６８に分割する。部分光線６８は、部分透過ミラー６４における入射光ビームの反射及び全反射ミラー６６における反射の結果として生じる。部分光線６６及び６８は、Ｘ次元内で光学構成体６０により相互に横方向に並んで配置される。入射光ビームを横方向に並んだ配置の複数の部分光線６６，６８に分割することで得られる効果は、光路の総数が同じ場合、ビーム全体のビーム径に対する横方向コヒーレンス長の比が減り、横方向コヒーレンス長と光路間隔との比も同様に減ることである。
【００９６】
図８は、図７と比較して変更したコヒーレンスに影響する光学構成体６０′を示し、この場合、入射光ビームが３つの部分光線６６′，６８′、及び７０′に分割される結果として、光路２４間の光路間隔に関する横方向コヒーレンス長をさらになお短くすることができる。
【００９７】
特定の状況下では、図８に構成体６３で示すように、光学構成体６０又は６０′により導入される横方向ビームオフセットを補正することが有利である。
【００９８】
光学構成体６０及び６０′は、光学システム１０において例えば光入射平面１２の上流に配置することができる。
【００９９】
部分透過ミラーの代わりに、上記ビームスプリッタ構成体は、板、プリズム（全反射を用いる）、及び／又はビームスプリッタ層を使用することもできる。
【０１００】
特に、光学構成体６０又は６０′を、ビームに対して傾斜しており部分ビーム６８を板内で２回反射させつつ部分ビーム６６を通過させる平行平面板として具現することもできる。さらに他の部分光線を多重反射により発生させてもよい。この場合、板の異なる部分が異なる各適合反射率を有するコーティングを有することで、部分光線が同じ強度を有するようにすれば有利である。
【０１０１】
横方向コヒーレンス長を短縮するさらに別の手段は、コヒーレンスに影響する光学構成体（図示せず）を光ビームのビーム経路内に配置することにあり、この構成体は、独国特許第１０ ２００６ ０１８ ５０４号明細書におけるコヒーレンスコンバータ構成体を備える。このようなコヒーレンスコンバータ構成体も同様に、Ｘ次元内の入射光ビームを複数の部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と、続いて部分光線を他方の次元の方向で相互に並べて配置するビーム再整列構成体とを有する。その後、後者の次元内での光ビームの圧縮及び前者の次元内での拡大が行われる。このようなコヒーレンスコンバータ構成体のより詳細な説明については、参照によりその開示を本開示に援用する上記文献を参照されたい。
【０１０２】
図９を参照して、図２における光学システム１０の基板平面１４内の干渉コントラストを低減するさらに他の手段を説明する。以下で説明する手段は、代替形態として又はすでに上述した手段に加えて使用することができる。
【０１０３】
図９は、音響光学変調器（ＡＯＭ）７２を有するコヒーレンスに影響する光学構成体７０を示す。ＡＯＭ７２は、音波７６を発生させる光学素子７４、例えば板を有し、音波７６は、矢印８０で示すように、光学素子７４内で入射光ビーム７８に対して横断方向に伝播する。音波７６は、例えば一端８２に配置された圧電素子（図示せず）により発生させることができる。光学素子７４を伝播する音波７６には、光学素子７４が入射光ビーム７８のための回折格子又は位相格子として働くという効果がある。音波７６は、約５ＭＨｚ〜１ＧＨｚの超音波範囲の超音波周波数ｆｓを有し得る。
【０１０４】
音波７６は、光学素子７４を通過すると、光学素子７４内で周期的な密度変調、したがって周期的な屈折率変調を引き起こし、これが上記回折格子又は位相格子の効果を生む。これにより、ＡＯＭ７２を通過する光には位相ずれδが生じ、これは位置及び時間に依存し、波長の端数で示すと以下の形態を有する。
δ（ｘ，ｔ）＝ａ ｓｉｎ［２π（ｘ／Λ−ｆｓｔ）］ （２）
この場合、ａは、音響振幅及び光軸の方向の音場の範囲に応じて変わる。Λは音波の波長を示し、ｆｓは音波の周波数を示す。
【０１０５】
時間依存位相ずれが種々の場所からの光の無相関をもたらす結果として、横方向コヒーレンスが低減する。光路間隔Ｌに関するコヒーレンス度の低減、したがって干渉コントラストの低減は、ＡＯＭの振幅ａ及び波長Λと光路間隔Ｌとに応じて変わる。
【０１０６】
ＡＯＭ７２は、図２における混合光学構成体１８と相互作用し、混合光学構成体１８はこれに入射する光ビームを複数の部分視野２８ａ，２８ｂ，２８ｃに分割してこれらを基板平面１４内で相互に重畳させるが、ＡＯＭ７２はこの場合、光路２４及び２６に関して、上記光路間の間隔に関する横方向コヒーレンスが低減され、それに対応して干渉が低減されるよう設計される。
【０１０７】
特に、ＡＯＭ７２の音響波長Λ及び音響振幅ａは、以下の条件：
Ｊ０［│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│］≪１ （３）
が少なくとも１つの光路間隔Ｌに関して満たされるよう設定することができ、式中、Ｊ０は０次のベッセル関数である。
【０１０８】
定義ｘ０＝│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│を用いると、ベッセル関数の零点Ｊ０は、ｘ０＝２．４０４８３，５．５２００８，８．６５３７３，１１．７９１５，…である。
【０１０９】
Ｌ＝Λが正確に当てはまらない場合、条件（３）は、音波７６の振幅の適切な選択により常に満たすことができる。正弦波の周期性により、この条件は値Ｌ＋ｍΛにも当てはまり、対称性により、これは値（Λ−Ｌ）＋ｍΛにも当てはまる。特に好適なのは、条件（３）がさらに他の光路間隔Ｌに関して満たされる場合又は積分の値が少なくとも≪１である場合である。
【０１１０】
【表１】
【０１１１】
条件（３）の特別な場合も、図１７及び１８を参照して後述する。
【０１１２】
比Ｌ／Λの互いに素の倍数（relatively prime multiples）と、対応して大きくなるＡＯＭ７２の周波数ｆｓ及び対応して大きくなるベッセル関数Ｊ０のさらに他の零点ｘ０に関連する振幅とも、同じ効果で可能である。しかしながら、ＡＯＭ７２の設計はこれらの場合に制限されない。基板平面１４内の１つ又は複数の干渉次数を大幅に低減するＡＯＭ７２の周波数ｆｓ及び振幅ａには多くの組み合わせがある。
【０１１３】
ここで最適条件を見出すために、ＡＯＭ７２の音響波長Λ及び／又は音響振幅は、上記条件（３）を可能な限り満たすために調整可能である。
【０１１４】
しかしながら、特に、以下の条件：
ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）＞０．７５ （４）
を特定の又は典型的な光路間隔Ｌに関して満たす全範囲が有用である。
【０１１５】
上述の条件が満たされる場合、ベッセル関数Ｊ０は＜０．５となる。
【０１１６】
次に図９を再度参照して、光学システム１０のさらに別の態様を、光源（図示せず）、例えばレーザが発生させる光ビーム８４がパルス状である、すなわち一連の個別光パルスからなる場合について説明する。図９は、このような光パルス８６を概略的に示す。
【０１１７】
すでに上述したように、動的位相差により、ＡＯＭ７２は種々の場所で光の無相関をもたらす。この無相関は、特に連続波動作におけるレーザの場合のように、均一な強度を有する可能な限り多くの音響周期にわたって平均化を行うことができる場合にのみ完成する。これに対して、例えば２０ｎｓのパルス持続時間が例えば２０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの典型的ＡＯＭ周波数の範囲内（周期持続時間１０ｎｓ〜５０ｎｓ）にある、エキシマレーザ等の短パルスレーザの場合、この条件は満たされず、残留干渉コントラストが基板平面１４内で生じる。
【０１１８】
したがって、基板平面１４内のこのような干渉コントラストを回避するために、図９に示すＡＯＭ７２をパルス伸長モジュール８８と組み合わせる。パルス伸長モジュール８８は、ここでは概略的に単なる例として４つのミラー９０，９２，９４，９６の構成体として示される。パルス伸長モジュール８８の任意の他の設計、特にそれ自体が既知のものをここで使用してもよい。パルス伸長モジュール８８は、入力側にビームスプリッタ９８、例えば半透明ミラーを有し、これは、入射光ビーム８４を第１（反射）部分光線１０及び（透過）第２部分光線１０２に分割する。部分光線１０２は、パルス伸長モジュール８８を短い経路で通過するが、部分光線１００は、ミラー９０，９２，９４，９６により形成される遅延部を通過し、ビームスプリッタ９８に再度衝突した後に他方の部分光線１０２と共にパルス遅延モジュール８８から取り出される。ミラー９０，９２，９４，９６により画定される遅延部の寸法を適宜決めることにより、遅延部を通過した光パルスは、遅延部を通過していない光パルスに直接随伴して、光パルス８６の長さの約２倍の長さを有する光パルス１０４を発生させる。
【０１１９】
図１０に、光パルス１０４の強度Ｉを時間ｔに対して示す。パルス１０４の強度は、光パルス８６よりもゆっくりと低下する。さらに、光パルス１０４の強度は、パルス伸長モジュール８８におけるパルス１００の周回持続時間に対応する固有のタイムスケールを有する変調を有する。
【０１２０】
言うまでもなく、１つだけのパルス伸長モジュール８８の代わりに、直列に配置された複数のパルス伸長モジュールを設けることができる。図１０は、連続配置された３つのパルス伸長モジュールを通過した後に元の光パルス８６から整形された光パルス１０６の強度を示す。ここでも、強度のエンベロープにおいて変調が現れる。
【０１２１】
この場合、少なくとも１つのパルス伸長モジュール８８とＡＯＭ７２との組み合わせを使用して、基板平面１４内の干渉により生じるコントラストを低減することが有利である。この目的で、音響周波数ｆｓ又はその整数倍ｎ×ｆｓを伸長パルスと協調させて、像平面内の干渉により生じる像コントラストが１０％未満、好適には５％未満、さらに好適には１％未満となるようにする。
【０１２２】
基板平面１４内の干渉コントラストに対するパルス伸長の効果を説明するために、図１１は、図１０における３つのパルス形状８６，１０４，１０６に関してＡＯＭを使用した場合の音響周波数ｆｓを横座標に、残留干渉コントラストを縦座標に示す。
【０１２３】
図１１において、曲線１０８は、図１０におけるパルス８６のパルス形状、すなわち元の（短い）光パルス８６に関する基板平面１４内の干渉コントラストのプロファイルを、音響周波数ｆｓの関数として表す。音響周波数ｆｓが高いほど、音響周期持続時間とレーザ光のパルス持続時間との比が小さくなり、残留干渉コントラストが小さくなり、これは多数の音響周期にわたって平均化を行うことができるからである。曲線１１０は、パルス１０４（パルス伸長モジュール８８を光ビームが通過中）に関する音響周波数ｆｓへの干渉コントラストの依存を示し、曲線１１２は、図１０におけるパルス１０６に関する音響周波数ｆｓへの干渉コントラストの依存を示し、パルス１０６は連続配置された３つのパルス伸長モジュールを光ビームが通過中である時に対応する。
【０１２４】
図１１から分かるように、対応する数のパルス伸長モジュールにより光パルスのパルス持続時間を伸長することにより、基板平面１４内の干渉コントラストが広範囲の音響周波数ｆｓにわたって実質的に低減される。結果として、パルス光ビームのパルス持続時間の延長が、干渉コントラストの低減、したがって基板平面１４内の光ビームの均一性の改善をすでにもたらしている。
【０１２５】
しかしながら、縦座標を拡大した点で図１１におけるグラフの細かい表示である図１２に示すように、曲線１１２に従った３倍に伸長された光パルスの場合も、干渉コントラストが残りの音響周波数範囲ｆｓよりも依然として大幅に高い周波数範囲がある。この場合、このように増加した干渉コントラストは、例えばｆｓ≒４０ＭＨｚの範囲内にある。干渉コントラストが依然として増加する周波数範囲ｆｓは、各パルス伸長モジュールにおける周回周波数（周回持続時間の逆数）に対応する。さらに、これらの周回周波数の倍数において、さらに他の最大値が生じる。
【０１２６】
したがって、音響周波数ｆｓを、最低干渉コントラストを有する周波数範囲が見付かるよう選択しなければならない。音波７６の音響周波数ｆｓは、ＡＯＭ７２において適宜設定されるものとする。
【０１２７】
特に、図１２から明らかなように、音響周波数ｆｓを、パルス遅延モジュールの周回周波数及びその整数倍とは異なるよう選択しなければならない。
【０１２８】
図１３における例示的なコヒーレンス関数に基づき、図１４〜図２１を参照して、光路２４と２６との間の間隔に関する光の横方向コヒーレンス長に対する上述の種々の手段の影響について説明する。
【０１２９】
図１４は、図７に例として示すようにビームスプリッタ構成体がビーム経路内にある手段の場合の、コヒーレンス関数のプロファイル（実線）を示す。図１４から明らかなように、２つの部分光線（図７における部分光線６６，６８）へのビーム分割により、同一のビーム断面でコヒーレンス長が１／２に短縮される。したがって、１０％の値のコヒーレンス度Ｋが１．５の間隔Ｌですでに得られる。
【０１３０】
図１５は、コヒーレンス関数に対する複屈折素子の影響を示す。ここでは、少なくとも１つの楔形複屈折素子を使用し、その光入射面と光出射面との間の角度を、２つの隣接する光路間のコヒーレンス度、すなわちＬ＝１の場合のコヒーレンス関数がゼロになるよう選択した。図１５から明らかなように、コヒーレンス関数のさらに他の零点はＬ＝３、Ｌ＝５で生じる。
【０１３１】
図１６は、間隔Ｌ＝１に効果を適合させた楔形複屈折素子の組み合わせと、コヒーレンス関数に対する２つの部分光線（図７を参照）へのビーム分割との、コヒーレンス関数に対する効果を示す。隣接する光路間の光路長がＬ＝１である場合、個々の光路間の干渉が事実上完全に抑制されることが図２から明らかである。１つの光路の光とそれに直接隣接する光路の光との干渉さえも、１０％未満に低減される。
【０１３２】
図１７は、ａ＝１．２０２４１の音波７６の振幅ａ及び（図１７の横座標の単位で）Λ＝２の音響波長Λを有する音響光学変調器７２の効果を示す。
【０１３３】
コヒーレンス関数の零点は、音響波長Λの半分（Ｌ＝１）及びその奇数倍（Ｌ＝３，５）で生じる。
【０１３４】
図１８は、ａ＝１．３８８４３の音波７６の振幅及びΛ＝３の音響波長Λを有する音響光学変調器７２の効果を示す。
【０１３５】
この場合、コヒーレンス関数の零点は、Λ／３の倍数、すなわちＬ＝１、Ｌ＝２、Ｌ＝４で生じる。
【０１３６】
図１９は、図１８と同じパラメータを有するが、図７に示す入射光ビームを２つの部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と組み合わせた、音響光学変調器の効果を示す。
【０１３７】
この場合、混合光学構成体の隣接する光路間の干渉効果は、この干渉抑制手段の組み合わせによりほぼ完全に排除される。
【０１３８】
図２０は、音響光学変調器７２を２つの異なる音響波長Λ又は２つの異なる音響周波数ｆｓで動作させた場合のコヒーレンス関数を示し、図１７及び図１８における例からの音響波長Λを使用した。
【０１３９】
この効果は、図１７及び図１８に従ったパラメータを有する２つの音響光学変換器の直列配置に対応する。異なる周波数及び／又は音響振幅で動作する２つ以上の音響光学変調器を使用する代わりに、種々の周波数及び振幅で励起される単一の音響光学変調器を使用することも可能である。
【０１４０】
図２０によれば、コヒーレンス関数の零点は、Ｌ＝１，２，３，４，５で生じ、零点間の範囲内でも同様にコヒーレンス度Ｋは１０％未満に低減される。
【０１４１】
図２１は、図１８に従ったパラメータを有する音響光学変調器を、図１５からのものに対応するコヒーレンス関数に対する効果を有する複屈折素子と共に使用した場合の、コヒーレンス関数を示す。
【０１４２】
この場合、零点はＬ＝１で生じ、これは音響光学変調器及び複屈折素子に由来する。ＡＯＭ７２又は複屈折素子５２及び５２′の干渉低減効果がそれぞれ単独では最適でない場合、コヒーレンス度をゼロにするためにこれら２つの手段がＬ＝１においてこうして相互に補間し合うことが有利である。
【０１４３】
図２１におけるコヒーレンス度のさらに他の零点は、ＡＯＭに由来するＬ＝２、複屈折素子に由来するＬ＝３、及びＡＯＭに由来するＬ＝４等にある。
【０１４４】
図１４〜図２１に示すコヒーレンス関数は、単に例として理解すべきである。図１３のコヒーレンス関数以外の、したがって非ガウスのコヒーレンス関数も考えられる。要件に応じて、上記干渉低減手段を、コヒーレンス関数に適宜異なる効果を及ぼすよう設計することもできる。例として、図１４〜図２１に示す例とは対照的に、コヒーレンス関数の零点を不等間隔で分布させることもできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板平面（１４）内に配置した基板を処理するための光ビームを生成する光学システムであって、前記光ビームは、該光ビームの伝播方向（Ｚ）に対して垂直な第１次元（Ｘ）内のビーム長（Ｌ）と、前記第１次元（Ｘ）及び前記光伝播方向（Ｚ）に対して垂直な第２次元（Ｙ）内の光ビーム幅（Ｂ）とを有し、該光学システムは、前記第１次元及び前記第２次元の少なくとも一方における前記光ビームを、相互に重畳して前記基板平面（１４）に入射する複数の光路（２４ａ〜２４ｃ）に分割する少なくとも１つの混合光学構成体（１８；１８′；１８′）を備え、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（５０；５０′；６０；６０′；７０）が、前記光ビームのビーム経路内に存在し、少なくとも１つの他の光路（２４ａ〜２４ｃ）からの１つの光路（２４ａ〜２４ｃ）の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減するよう前記光ビームに作用することを特徴とする光学システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学システムにおいて、前記光路（２４ａ〜２４ｃ）に対して横断方向の前記光ビームの横方向コヒーレンス長と、少なくとも２つの隣接する光路（２４ａ〜２４ｃ）間の前記光路間隔との比は、２未満、好適には１未満であることを特徴とする光学システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（６０；６０′）は、前記光路（２４ａ〜２４ｃ）に対して横断方向の前記光ビームを複数の横方向にオフセットした部分光線（６６，６８；６６′，６８′；７０′）に分割し、該部分光線（６６，６８；６６′，６８′；７０′）の相互間の伝播経路差は、該部分光線の光の時間的コヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする光学システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体は、コヒーレンスコンバータ構成体を備え、該コヒーレンスコンバータ構成体は、２つの前記次元の一方における前記光ビームを複数の部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と、前記部分光線を他方の次元の方向で相互に並べて配置するビーム再整列構成体とを有することを特徴とする光学システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（５０；５０′）は、平面状であり相互に対して角度をなして傾斜した光入射面（５４；５４′）及び光出射面（５６；５６′）を有する少なくとも１つの光学素子（５２；５２′）を備え、該少なくとも１つの光学素子（５２；５２′）は複屈折素子であることを特徴とする光学システム。
【請求項６】
請求項５に記載の光学システムにおいて、前記光入射面（５４；５４′）と前記光出射面（５６；５６′）との間の前記角度は、前記少なくとも１つの光路間隔に関して前記光学素子（５２；５２′）により導入される常光線と異常光線との間の位相差が光波長の半分の奇数倍となるよう選択されることを特徴とする光学システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つの光学素子（５２；５２′）は、前記光ビームの伝播方向で前記少なくとも１つの混合光学構成体（１８；１８′；１８″）の下流に配置されることを特徴とする光学システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、複数の混合光学構成体（１８，３６；１８″，３６″）が存在することを特徴とする光学システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（７０）は少なくとも１つの音響光学変調器（ＡＯＭ）（７２）を有することを特徴とする光学システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の音響波長λ及び／又は音響振幅ａは調整可能であることを特徴とする光学システム。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の前記音響波長Λ及び／又は前記音響振幅ａは、条件Ｊ０［│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│］≪１が前記少なくとも１つの光路間隔に関して満たされるよう設定され、式中、Ｊ０は０次のベッセル関数であることを特徴とする光学システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の前記音響振幅ａ及び前記音響波長Λは、ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）＞０．７５が前記少なくとも１つの光路間隔Ｌに関して満たされるよう選択されることを特徴とする光学システム。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、複数のＡＯＭ（７２）が存在し、該ＡＯＭ（７２）において、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するためにＡＯＭ毎に前記音響波長及び／又は前記音響振幅の設定が異なることを特徴とする光学システム。
【請求項１４】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、ＡＯＭ（７２）が１つだけ存在し、該ＡＯＭ（７２）において、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するために、複数の異なる音響波長及び／又は音響振幅が同時に設定されることを特徴とする光学システム。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記光ビームはパルス状であり、少なくとも１つのパルス伸長モジュール（８８）が前記ビーム経路内に配置されることを特徴とする光学システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭの前記音響波長Λ及びその整数倍を伸長パルスと協調させて、前記基板平面（１４）内の干渉コントラストを１０％未満、好適には５％未満、さらに好適には１％未満となるようにすることを特徴とする、請求項１５に記載の光学システム。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ（７２）の可聴周波数ｆｓは、前記少なくとも１つのパルス伸長モジュール（８８）におけるパルスの周回周波数に等しくなく、該周回周波数の整数倍にも等しくないことを特徴とする光学システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の前記可聴周波数ｆｓは、前記少なくとも１つのパルス伸長モジュール（８８）におけるパルスの前記周回周波数と５％未満、好ましくは１０％未満異なることを特徴とする光学システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ（７２）の前記音響周波数ｆｓは、使用される全ての前記パルス伸長モジュール（８８）におけるパルスの前記周回周波数それぞれ及びその全ての整数倍と５％未満、好ましくは１０％未満異なることを特徴とする光学システム。
【請求項１】
基板平面（１４）内に配置した基板を処理するための光ビームを生成する光学システムであって、前記光ビームは、該光ビームの伝播方向（Ｚ）に対して垂直な第１次元（Ｘ）内のビーム長（Ｌ）と、前記第１次元（Ｘ）及び前記光伝播方向（Ｚ）に対して垂直な第２次元（Ｙ）内の光ビーム幅（Ｂ）とを有し、該光学システムは、前記第１次元及び前記第２次元の少なくとも一方における前記光ビームを、相互に重畳して前記基板平面（１４）に入射する複数の光路（２４ａ〜２４ｃ）に分割する少なくとも１つの混合光学構成体（１８；１８′；１８′）を備え、少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（５０；５０′；６０；６０′；７０）が、前記光ビームのビーム経路内に存在し、少なくとも１つの他の光路（２４ａ〜２４ｃ）からの１つの光路（２４ａ〜２４ｃ）の少なくとも１つの光路間隔に関する光のコヒーレンス度を少なくとも低減するよう前記光ビームに作用することを特徴とする光学システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学システムにおいて、前記光路（２４ａ〜２４ｃ）に対して横断方向の前記光ビームの横方向コヒーレンス長と、少なくとも２つの隣接する光路（２４ａ〜２４ｃ）間の前記光路間隔との比は、２未満、好適には１未満であることを特徴とする光学システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（６０；６０′）は、前記光路（２４ａ〜２４ｃ）に対して横断方向の前記光ビームを複数の横方向にオフセットした部分光線（６６，６８；６６′，６８′；７０′）に分割し、該部分光線（６６，６８；６６′，６８′；７０′）の相互間の伝播経路差は、該部分光線の光の時間的コヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする光学システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体は、コヒーレンスコンバータ構成体を備え、該コヒーレンスコンバータ構成体は、２つの前記次元の一方における前記光ビームを複数の部分光線に分割するビームスプリッタ構成体と、前記部分光線を他方の次元の方向で相互に並べて配置するビーム再整列構成体とを有することを特徴とする光学システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（５０；５０′）は、平面状であり相互に対して角度をなして傾斜した光入射面（５４；５４′）及び光出射面（５６；５６′）を有する少なくとも１つの光学素子（５２；５２′）を備え、該少なくとも１つの光学素子（５２；５２′）は複屈折素子であることを特徴とする光学システム。
【請求項６】
請求項５に記載の光学システムにおいて、前記光入射面（５４；５４′）と前記光出射面（５６；５６′）との間の前記角度は、前記少なくとも１つの光路間隔に関して前記光学素子（５２；５２′）により導入される常光線と異常光線との間の位相差が光波長の半分の奇数倍となるよう選択されることを特徴とする光学システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つの光学素子（５２；５２′）は、前記光ビームの伝播方向で前記少なくとも１つの混合光学構成体（１８；１８′；１８″）の下流に配置されることを特徴とする光学システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、複数の混合光学構成体（１８，３６；１８″，３６″）が存在することを特徴とする光学システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記少なくとも１つのコヒーレンスに影響する光学構成体（７０）は少なくとも１つの音響光学変調器（ＡＯＭ）（７２）を有することを特徴とする光学システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の音響波長λ及び／又は音響振幅ａは調整可能であることを特徴とする光学システム。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の前記音響波長Λ及び／又は前記音響振幅ａは、条件Ｊ０［│２ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）│］≪１が前記少なくとも１つの光路間隔に関して満たされるよう設定され、式中、Ｊ０は０次のベッセル関数であることを特徴とする光学システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の前記音響振幅ａ及び前記音響波長Λは、ａ ｓｉｎ（πＬ／Λ）＞０．７５が前記少なくとも１つの光路間隔Ｌに関して満たされるよう選択されることを特徴とする光学システム。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、複数のＡＯＭ（７２）が存在し、該ＡＯＭ（７２）において、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するためにＡＯＭ毎に前記音響波長及び／又は前記音響振幅の設定が異なることを特徴とする光学システム。
【請求項１４】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、ＡＯＭ（７２）が１つだけ存在し、該ＡＯＭ（７２）において、複数の光路間隔に関するコヒーレンス度を少なくとも低減するために、複数の異なる音響波長及び／又は音響振幅が同時に設定されることを特徴とする光学システム。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項に記載の光学システムにおいて、前記光ビームはパルス状であり、少なくとも１つのパルス伸長モジュール（８８）が前記ビーム経路内に配置されることを特徴とする光学システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭの前記音響波長Λ及びその整数倍を伸長パルスと協調させて、前記基板平面（１４）内の干渉コントラストを１０％未満、好適には５％未満、さらに好適には１％未満となるようにすることを特徴とする、請求項１５に記載の光学システム。
【請求項１７】
請求項１５又は１６に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ（７２）の可聴周波数ｆｓは、前記少なくとも１つのパルス伸長モジュール（８８）におけるパルスの周回周波数に等しくなく、該周回周波数の整数倍にも等しくないことを特徴とする光学システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ(７２)の前記可聴周波数ｆｓは、前記少なくとも１つのパルス伸長モジュール（８８）におけるパルスの前記周回周波数と５％未満、好ましくは１０％未満異なることを特徴とする光学システム。
【請求項１９】
請求項１８に記載の光学システムにおいて、前記ＡＯＭ（７２）の前記音響周波数ｆｓは、使用される全ての前記パルス伸長モジュール（８８）におけるパルスの前記周回周波数それぞれ及びその全ての整数倍と５％未満、好ましくは１０％未満異なることを特徴とする光学システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公表番号】特表２０１３−５０１３５１（Ｐ２０１３−５０１３５１Ａ）
【公表日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２２１０１（Ｐ２０１２−５２２１０１）
【出願日】平成２２年７月１９日（２０１０．７．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６０４１７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１２４８５
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（５０３１８７０８４）カール ツァイス レーザー オプティクス ゲーエムベーハー (14)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１９日（２０１０．７．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／０６０４１７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１２４８５
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【出願人】（５０３１８７０８４）カール ツァイス レーザー オプティクス ゲーエムベーハー (14)
【Ｆターム（参考）】
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