DE19734983A1 - Optische Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung, bei welcher mehrere separate Einzelstrahlen vor einem ersten segmentierten Spiegelfeld durch einen gemeinsamen Fokus laufen und nach Reflexion der Einzelstrahlen an jeweils einem separaten Spiegel des segmentierten Spiegelfeldes über ein Objektiv auf ein oder mehrere Werkstücke abgebildet werden.

Wenn man viele Einzelstrahlen erzeugt und diese dann auf ein Werkstück abbilden möchte, steht man vor dem Problem, daß man eine Verzeichnung des aus den Einzelstrahlen bestehenden abzubildenden Bildes (Einzelstrahlrelation zueinander) durch eine Raumwinkelverzerrung zwischen den Einzelstrahlen erhält oder bei erzwungenen konstanten Raumwinkelabständen der Einzelstrahlen zueinander wegen der dabei zwangsläufig entstehenden unterschiedlich langen Wegen der Einzelstrahlen unterschiedlich große Strahldurchmesser am Objektiv bzw. in der Bildebene bekommt.

Eine technisch sehr aufwendige Lösung stellt das Offner-System dar.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine optische Anordnung zur Abbildung von vielen Einzelstrahlen zu schaffen, bei welcher die Länge jedes Einzelstrahls von einem aufgehenden Fokuspunkt bis zu einem Objektivpupillenpunkt exakt konstant gemacht werden kann und die geometrisch-räumliche Anordnung der Einzelstrahlen zueinander möglichst exakt zueinander bleibt.

Diese Aufgabe wird erfüllt durch den kennzeichnenden Teil des ersten und zweiten Patentanspruchs.

Die Erfindung liefert zwei Wege, um die hänge der optischen Wege der Einzelstrahlen einander anzugleichen.

Bei beiden erfindungsgemäßen Ausführungen des Erfindungs­ gedankens wird ein von einem fokussierten Multistrahl mit geometrisch definiert angeordneten Einzelstrahlen aufgehendes Strahlenbündel, entsprechend z. B. einer quadratischen Pyramide, so auf ein segmentiertes Spiegelfeld gelenkt werde, daß jeder einzelne Strahl auf einen Spiegel dieses segmentierten Spiegel­ feldes und von dort in der Grundstellung der Spiegel in den Pupillenpunkt eines Objektivs reflektiert wird,

• - daß die Länge jedes Einzelstrahls vom aufgehenden Fokus­ punkt bis zum Objektivpupillenpunkt möglichst exakt konstant ist und
• - die geometrisch-räumliche Anordnung der Einzelstrahlen zueinander ebenfalls möglichst exakt konstant oder zumindest möglichst exakt proportional zueinander bleibt.

Eine erfindungsgemäße optische Anordnung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Fokus mindestens ein Strahlteiler angeordnet ist, welcher die Einzelstrahlen auf mindestens ein segmentiertes Spiegelfeld ablenkt, von welchem sie in sich zumindest fast identisch zurückgespiegelt werden.

D. h., es werden die Einzelstrahlen bei der ersten erfindungs­ gemäßen Lösung im wesentlichen in sich selbst reflektiert. Diese Lösung des Problems ist die eleganteste, hat aber einen hohen Energieverlust von mindestens 75% zur Folge. Zur Erhöhung der Energieausbeute auf maximal 50% wird dann aber ein zweites segmentiertes Spiegelarray benötigt, dessen Einzel­ spiegelbewegungen mit den Einzelspiegelbewegungen des ersten segmentiertes Spiegelarrays exakt gekoppelt sein müssen.

Eine zweite erfindungsgemäße optische Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem segmentierten Spiegelfeld und dem Objektiv ein weiteres zweites segmentiertes Spiegelfeld angeordnet ist.

Bei der Lösung mit zwei segmentiertes Spiegelarrays wird die aufgehende Strahlpyramide auf ein feststehendes segmentiertes Spiegelarray (welches vorteilhafter weise für die Montage justierbar ist, um Herstellungstoleranzen auszugleichen) gelenkt, von welchem eine Reflexion aller Einzelstrahlen vorteilhafter weise parallel 90° abgewinkelt zu dem zweiten segmentiertes Spiegelarray (welches vorteilhafter weise aus computergesteuerten zweiachsigen Kippspiegeln aufgebaut ist) erfolgt und welches die Einzelstrahlen zur Objektivpupille reflektiert.

Abhängig von der Größe der reflektierenden Einzelspiegel kann die "Höhe" des parallelen Strahlenbündels (z-Achshöhendifferenz der Einzelstrahlen bei Reflexion am ersten segmentiertes Spiegelarray) auch als "Durchmesser des Gesamtbündels" angesehen und frei so festgelegt werden, daß die Einzelspiegel des segmentiertes Spiegelarrays sich nicht gegenseitig behindern. Bei vorgegebenem Öffnungswinkel Φ des Strahlen­ bündels nach der ersten Linse im Fokus hängt die Dimensio­ nierung der Anordnung dann nur noch von der "Basishöhe h" (vorzugsweise senkrechter Abstand des mittleren Spiegels im segmentierten Spiegelarray zum Fokus nach der ersten Linse (11 in der Fig. 2) ab, wenn man den Mittenstrahl des Strahlen­ bündels rechtwinklig auf das zweite segmentiertes Spiegelarray reflektiert und die Einzelstrahlen zwischen den beiden segmentiertes Spiegelarrays zueinander parallel verlaufen.

Die Gesamtlänge der Einzelstrahlen kann exakt gleichlang gemacht werden, wenn sich die Spiegel des zweiten segmentiertes Spiegelarrays in der Grundstellung befinden und alle Einzel­ strahlen nach ihrer Reflexion am zweiten segmentierten Spiegelarray durch einen gemeinsamen Fokus verlaufen, und die räumlich-geometrische Anordnung der Einzelstrahlen zueinander wird nicht störend verzerrt (wobei sie gleich oder proportional kleiner oder größer (d. h. kleinere oder größere Öffnungswinkel) sein kann). Somit kann die telezentrische Fokussierung der Einzelstrahlen z. B. durch ein entsprechendes Projektions­ objektiv geometrisch optimal (d. h. bei minimalen optischen Verzeichnungen, Aberrationen und gleicher Bildebene der vom Objektiv fokussierten Einzelstrahlen) bei minimalem Energie­ verlust durchgeführt werden.

Der große Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß gleiche Längen bei gleichen Raumwinkeln machbar sind. Dabei zu beachten ist, daß der Abstand zwischen den Einzelspiegeln des segmentiertes Spiegelarrays groß genug ist, um allen Kippspiegeln im zweiten segmentiertes Spiegelarray genügend Platz zur Verfügung zu stellen. Dies wird erkauft durch die Verwendung eines zweiten segmentiertes Spiegelarrays, wobei zu beachten ist, daß der Durchmesser der Einzelstrahlen bei nicht parallel verlaufender Umhüllenden der Einzelstrahlen auf den jeweiligen Spiegeln des ersten und zweiten segmentiertes Spiegelarrays unterschiedlich groß ist. Zur Größe des Durchmessers der Einzelspiegel der segmentiertes Spiegelarrays trägt dabei auch der Einfallswinkel der Einzelstrahlen auf die Einzelspiegel bei.

Vorteilhafterweise ist bei der ersten erfindungsgemäßen Lösung nach dem Fokus ein rechtwinkliger Strahlteiler angeordnet, welcher die Einzelstrahlen auf zwei segmentierte Spiegelfelder ablenkt, von welchem sie in sich zumindest fast identisch zurückgespiegelt werden, und daß die Spiegelfelder zueinander im rechten Winkel angeordnet sind.

Ist das erste Spiegelfeld aus beweglichen Einzelspiegeln auf­ gebaut, so erleichtert dies vorteilhafter weise die Montage. Die Bewegungen der Einzelspiegel können dabei in Richtung der einfallenden Einzelstrahlen und/oder senkrecht zu diesen ver­ laufen.

Wenn das zweite Spiegelfeld aus beweglichen Einzelspiegeln auf­ gebaut ist, so kann man auf der oder den Werkstückoberflächen nicht nur an einem bestimmten Punkt arbeiten, sondern der Strahl kann durch die Kippbewegung des Spiegels in einem gewissen, definierten Bewegungsbereich entweder an eine andere Stelle plaziert werden oder er kann nahezu telezentrisch auf der Werkstückoberfläche eine beliebige Bewegung in einem begrenzten Bereich ausführen.

Wenn die Einzelstrahlen zwischen den beiden Spiegelfeldern parallel verlaufend sind, erleichtert dies die Auslegung des Gesamtsystems und ermöglicht mit einer einfachen mathematischen Berechnung die Positionierung der Einzelspiegel in dem segmentiertes Spiegelarray.

Legt man das erste Spiegelfeld als ein feststehendes segmentiertes Spiegelarray aus, so kann man das erste segmentiertes Spiegelarray als monolithischen Block herstellen und damit die Herstellungskosten drastisch reduzieren.

Legt man hingegen das erste Spiegelfeld als ein justierbares segmentiertes Spiegelarray aus, so vereinfacht dies die Montage des Gesamtsystems erheblich. Je nach Auslegung und Anwendungs­ bereich der optischen Anordnung kann einmal die eine oder die andere Variante vorteilhafter sein, insbesondere in Anbetracht der geforderten optischen Qualität an die Einzelstrahlen.

Auf jeden Fall ist es vorteilhaft, wenn das zweite Spiegelfeld aus computergesteuerten zweiachsigen Kippspiegeln aufgebaut ist. Dies ermöglicht die Verwendung der optischen Anordnung nicht nur zur punktweisen Projektion der Strahlen auf die Ober­ fläche eines Werkstücks, welches dann zur weiteren Bearbeitung bewegt werden müßte, sondern ermöglicht die Punktbelichtung durch einen Strahl an verschiedenen Stellen eines mehrdimen­ sionalen Arbeitsfeldes auf dem Werkstück und auch die Erzeugung von linienhaften Belichtungen.

Die Belichtungen als solche können dazu diesen, auf dem Werk­ stück Abtragungen zu erzeugen oder aber nur um das Werkstück an bestimmten Stellen der Strahlung auszusetzen (erwärmen, belichten von photoempfindlichen Schichten, usw.).

Die Erfindung kann insbesondere in optischen Anordnungen eingesetzt werden, wie sie in der DE 44 23 040, der DE 44 40 117 oder der DE 196 14 050 beschrieben sind. Alle dort gemachten Angaben können sinngemäß dafür eingesetzt werden, um mit der erfindungsgemäßen optischen Anordnung eingesetzt zu werden.

Die Wellenlänge und die Eigenschaften der verwendeten Einzel­ strahlen sind nach den Anforderungen des Einsatzes der optischen Anordnung auszuwählen (z. B. Belichtung einer photo­ graphischen Schicht, Materialabtragung, usw.).

Die Erfindung im folgenden in beispielhafterweise anhand von Zeichnungen erläutert, wobei weitere wesentliche Merkmale sowie dem besseren Verständnis dienende Erläuterung und Ausgestal­ tungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens beschrieben sind.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführung des Erfindungsgedankens; und

Fig. 2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführung des Erfindungsgedankens.

Der erste erfindungsgemäße Lösungsweg ist in der Fig. 1 dar­ gestellt und besteht darin, daß nach dem Stand der Technik erzeugte Einzelstrahlen (1a, 1b, 1c) nach ihrer Fokussierung, hier durch eine Linse (2), auf einen gemeinsamen Fokus (3) auf einen Strahlteiler (4) fallen zu lassen, welcher das ein­ fallende Strahlenbündel (1a, 1b, 1c) an seiner Strahlteiler­ schicht (4a) in zwei identische Strahlenbündel (1a′, 1b′, 1c′; 1a′′, 1b′′, 1c′′) aufteilt.

Die Einzelstrahlen (1a′, 1b′, 1c′; 1a′′, 1b′′, 1c′′) werden nach dem Strahlteiler (4) auf zumindest ein segmentiertes Spiegelarray (5a, 5b, 5c) mit vielen diskret verstellbaren Einzelspiegeln gelenkt, welcher die Einzelstrahlen (1a′, 1b′, 1c′) um einem kleinen Strahlwinkel ablenken kann. Dabei werden die Einzelstrahlen (1a′, 1b′, 1c′) zumindest fast in sich selbst zurückgespiegelt, so daß der optische Weg der Einzel­ strahlen (1a′, 1b′, 1c′) bis zu einem zweiten "Quasi-Fokus­ punkt" (6) (Schnittpunkt der Einzelstrahlen in Grundstellung des Spiegelarrays) hinter dem Strahlteiler (4) identisch ist. Durch diesen zweiten Fokuspunkt (6) gehen die Einzelstrahlen (1a′, 1b′, 1c′) in der Grundstellung des segmentiertes Spiegelarrays (5a, 5b, 5c).

Hier tritt das Problem der Verzerrung nicht auf, da man es im wesentlichen mit rechten Winkeln zu tun hat und kaum Längen­ unterschiede bei den optischen Wegen auftreten. Allerdings ist der Energieverlust sehr groß. Von 100% der eingestrahlten Energie der Einzelstrahlen (1a, 1b, 1c) verlassen nur maximal 25% den Strahlteilerwürfel (4) in Richtung auf den zweiten Fokuspunkt (6).

Indem man ein zweites segmentiertes Spiegelarray (7a, 7b, 7c) in dem zweiten erzeugten Strahlengang der Einzelstrahlen (1a′′, 1b′′, 1c′′) anbringt, kann man den Energieverlust auf zumindest fast 50% begrenzen.

Bei einer Bewegung der Einzelstrahlen auf einer oder mehreren Werkstückoberflächen hinter der Linse (8) muß dabei aber eine feste Kopplung zwischen den beiden segmentiertes Spiegelarray (5a, 5b, 5c, 7a, 7b, 7c) erfolgen, welche beide in der oder den gleichen Achsen dieselbe Beweglichkeit (denselben Kippwinkel) besitzen müssen.

Der zweite erfindungsgemäße Lösungsweg ist in der Fig. 2 dar­ gestellt. Auch hier werden die parallel zueinander verlaufenden separaten, räumlich voneinander getrennten Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c), welche zuvor gemäß dem Stand der Technik erzeugt wurden, zuerst durch eine erste Linse (11) fokussiert.

Hinter dem gemeinsamen Fokus (12) der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) ist ein erstes segmentiertes Spiegelarray (13a, 13b, 13c) angeordnet, welches die Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) auf ein zweites segmentiertes Spiegelarray (14a, 14b, 14c) (vorzugsweise unter Winkeln nahe 90°) umlenkt.

Während die Einzelspiegel des ersten segmentierten Spiegelarrays (13a, 13b, 13c) nach der Justierung nicht mehr verstellt werden müssen und dann starr sein können, ist das zweite segmentiertes Spiegelarray (14a, 14b, 14c) aus Kipp­ spiegeln aufgebaut, welche zumindest in einer Achse, besser jedoch in zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen gekippt werden können.

Indem man die jeweils verwendeten Spiegel (13a, 14a; 13b, 14b; 13c, 14c) der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) zueinander richtig positioniert (was bereits sinnvoller weise bei der Geräteaus­ legung geschehen sollte), kann man den optischen Weg der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) zueinander anpassen und erreichen, daß der optische Weg der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) immer dieselbe Länge aufweist.

Zur Positionierung des ersten segmentiertes Spiegelarrays (13a, 13b, 13c) ist insbesondere eine z-Achsenverstellung kombiniert mit einer mindestens einachsigen Kippachsenverstellung sinn­ voll, obwohl das erste segmentierte Spiegelarray (13a, 13b, 13c) auch aus einem monolithischen Block bestehen könnte. Die einzelnen Spiegel des segmentiertes Spiegelarrays (13a, 13b, 13c) können aber auch mit denen des zweiten segmentierten Spiegelarrays (14a, 14b, 14c) identisch aufgebaut sein und aus ein- oder mehrachsigen Kippspiegeln bestehen.

Wenn man das erste segmentiertes Spiegelarray (13a, 13b, 13c) entsprechend der Auslegung des zweiten segmentiertes Spiegelarrays (14a, 14b, 14c) konstruiert, kann man aber auch auf die Positioniermöglichkeit der einzelnen Spiegel im ersten segmentiertes Spiegelarray (13a, 13b, 13c) ganz verzichten und dies als starres, aus zueinander in fester Lagebeziehung stehenden Spiegeln aufbauen. Dann besteht das erste segmentier­ ten Spiegelarray (13a, 13b, 13c) gegebenenfalls aus einem einzigen monolithischen Block, in welchen die einzelnen Spiegelbereiche an den dafür notwendigen Stellen eingearbeitet sind.

Hinter dem zweiten segmentiertes Spiegelarray (14a, 14b, 14c) ist eine weitere Linse (15) (vorzugsweise ein fθ-Objektiv bzw. eine telezentrische Projektionslinse) angebracht, welche die Strahlen auf die Oberfläche mindestens eines Werkstücks (16) abbildet.

Vor der Linse (15), welche symbolisch auch für eine Linsenbau­ gruppe stehen kann, durchlaufen die Strahlen (10a, 10b, 10c) in Grundstellung der Kippspiegel des zweiten segmentierten Spiegelarrays einen weiteren gemeinsamen Schnittpunkt (17) (Pupille für Objektiv 15). Wichtig für die Abbildungsqualität der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) auf der Werkstückoberfläche (16) (Arbeitsfeld der Einzelstrahlen) ist nun, daß die Länge der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) zwischen dem ersten Fokus (12) und diesem zweiten Fokus (17) möglichst exakt gleich ist. Erst dann ist eine fehlerfreie Strahlsteuerung der Einzel­ strahlen (10a, 10b, 10c) möglich und die geringen Auslenkungen der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) durch die Kippspiegel (14a, 14b, 14c) des zweiten segmentiertes Spiegelarrays führen nicht zu intolerierbaren Lage- und Fokusverschiebung bei den Einzel­ strahlen (10a, 10b, 10c).

Natürlich kann die Erfindung auch in anders aussehenden optischen Anordnungen realisiert werden. So kann insbesondere die Anzahl der Reflexionen zwischen den beiden Fokuspunkten (12, 17) höher sein und die Linsen (11, 15) können auch durch Linsenbaugruppen mit einer beliebigen Anzahl von Linsen realisiert werden.

Claims (9)

1. Optische Anordnung, bei welcher mehrere separate Einzel­ strahlen (10a, 10b, 10c) vor einem ersten segmentierten Spiegelfeld (13a, 13b, 13c) durch einen gemeinsamen Fokus (12) laufen und nach Reflexion der Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) an jeweils einem separaten Spiegel des segmentierten Spiegelfeldes (13a, 13b, 13c) über ein Objektiv (15) auf ein oder mehrere Werkstücke (16) abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem segmentierten Spiegelfeld (13a, 13b, 13c) und dem Objektiv (15) ein weiteres zweites segmentiertes Spiegel­ feld (14a, 14b, 14c) angeordnet ist.

2. Optische Anordnung, bei welcher mehrere separate Einzel­ strahlen (1a, 1b, 1c) vor einem ersten segmentierten Spiegelfeld (5a, 5b, 5c) durch einen gemeinsamen Fokus (3) laufen und nach Reflexion der Einzelstrahlen (1a′, 1b′, 1c′) an jeweils einem separaten Spiegel des segmentierten Spiegelfeldes (5a, 5b, 5c) über ein Objektiv (8) auf ein oder mehrere Werkstücke abgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Fokus (3) mindestens ein Strahlteiler (4) angeordnet ist, von welchem die Einzel­ strahlen (1a′, 1b′, 1c′) auf mindestens ein segmentiertes Spiegelfeld (5a, 5b, 5c) fallen, von welchem sie (1a′, 1b′, 1c′) in sich zumindest fast identisch zurück­ gespiegelt werden und durch den Strahlteiler (4) auf das Objektiv (8) gehen, und daß das Spiegelfeld (5a, 5b, 5c) aus beweglichen Einzelspiegeln aufgebaut ist.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß nach dem Fokus (3) ein rechtwinkliger Strahl­ teiler (4) angeordnet ist, welcher die Einzelstrahlen (1a, 1b, 1c) auf zwei segmentierte Spiegelfelder (5a, 5b, 5c, 7a, 7b, 7c) ablenkt, von welchem sie in sich zumindest fast identisch zurückgespiegelt werden, und daß die Spiegelfelder (5a, 5b, 5c, 7a, 7b, 7c) zueinander im rechten Winkel angeordnet sind.

4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spiegelfeld (5a, 5b, 5c, 13a, 13b, 13c) aus beweglichen Einzelspiegeln aufgebaut ist.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Spiegelfeld (14a, 14b, 14c) aus beweglichen Einzelspiegeln aufgebaut ist.

6. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einzelstrahlen (10a, 10b, 10c) zwischen den beiden Spiegelfeldern (13a, 13b, 13c, 14a, 14b, 14c) parallel verlaufend sind.

7. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Spiegelfeld (13a, 13b, 13c) ein feststehendes segmentiertes Spiegelarray ist.

8. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Spiegelfeld (13a, 13b, 13c) ein justierbares segmentiertes Spiegelarray ist.

9. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Spiegelfeld (14a, 14b, 14c) aus computergesteuerten zweiachsigen Kippspiegeln aufgebaut ist.