CN1301358A - 对有限空间相干进行补偿的衍射均化器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

对有限空间相干进行补偿的衍射均化器

技术领域

本发明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，本发明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。本发明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发明相同的问题，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，但是本申请发明人的经验是，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。

发明概要

本发明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。在本发明较佳实施例中，该均化器包括对入射激光束部分空间相干的补偿，并设计成调节投射光束的数值孔经分布，以改进烧蚀或其它激光处理。进而，该均化器可提供用户特定的强度分布以对其它处理变量进行激光处理补偿，假定其变化是已知和可重复的。

根据本发明，衍射均化器包括多个子元件，每个子元件接收部分非均匀入射激光束并据此发射光束形成选定图像。许多这种子元件形成的图像组合叠加形成均化的最终图像。子元件沿入射光束宽度方向相互隔开，从而光束中的“热点”或其它不规则处在所形成图像的宽度方向展开。这种子元件配置也可使入射光束正常弯曲的强度分布变得平坦。

每个子元件包含许多像素，各像素是元件的离散相移区。各子元件形成的图像是该子元件中的许多像素建立的干涉图形。使用诸如模拟退火或遗传算法等优化方法作为计算机模型确定各子元件中最佳像素配置。

在一个方面，本发明提供一种具有许多子元件的衍射均化器，该子元件根据入射激光束形成在目标平面有选定强度分布的选定图像。图像形状可在衍射光施加的物理限制中任意选择。可对非完美光对准影响、激光指向稳定性等施加的实际限制，任意控制强度分布。但是，这种控制明显优于使用常规均化镜片所得到的控制，各子元件包含“像素”阵列，各像素对通过的光提供选定的相移。形成的图像是该像素阵列形成的干涉图形。各子元件的像素阵列设计可考虑对入射激光束的有限空间相干性进行修改，从而，产生强度分布更均匀的图像，尤其在产生狭或小的均匀照射图形时。

注意，本申请文本中所使用的术语“部分相干”(及其派生的术语)是指在波束区域的有限空间相干或非零光束发散。在某种意义上，如下文结合图5B所讨论那样，入射激光束的部分相干可用双狭缝实验或切变干涉仪加以量化。这些术语在本申请中互换使用。

在另一方面，本发明提供一种设计衍射均化器的方法，该衍射均化器包含子元件阵列，每个子元件包含相移像素阵列。选择像素阵列，产生与该衍射均化器产生的选定图像(或其一部分)对应的干涉图形。可使用反向模拟技术设计像素阵列，其中，使用例如模拟退火方案优化像素图形，控制初始随机像素图形，以提供期望图像。组合所有子元件对图像的影响以提供具有均匀(或其它预选)强度分布的均化图像。

在另一方面，本发明提供一种衍射均化器的设计方法，可有效补偿工业应用中使用的激光的空间相干性。在根据本发明设计像素图形时直接考虑空间相干性是不实际的，因为这样做将使产生像素图形所需的时间增加几个数量级(在发明人所知的例子中要差6个数量级)。从而产生像素图形的设计方法必须假定全相干光。可通过修改用于产生像素图形的期望图像强度分布来考虑光的有限空间相干性。通过确定计及用相干光形成的图像与有限空间相干性的实际光形成的图像的差异的卷积函数，可完成这种修改。该卷积函数接着反向向原始期望图像提供，以建立“修改的期望图像”。该修改的期望图像作为像素图形产生器的输入提供。部分相干光通过产生的衍射元件形成的图像比不施加空间相干性补偿的情况更接近于原始期望图像。

附图概述

通过参照构成本说明书一部分的附图所说明的本发明的实施例，对本发明进行详细描述，本发明的上述和其它优点和特点会变得更为清楚并可具体理解。

但应注意，附图仅说明本发明的示范性实施例，而不限定其范围，本发明可有其它等效的实施例。

图1是具有钻孔图形的投射掩模的平面图，该孔允许激光束在经该孔后形成选定图形；图中也示出细长的照射图。

图2A说明有多个形成“棋盘”图形的衍射子元件的衍射均化器。

图2B是表示衍射均化器各子元件形成图像的等角图。

图3是含本发明的衍射均化器的激光烧蚀系统的示意图。

图4是显示其上形成相移像素的衍射均化器的剖面图。

图5是方法框图，该方法用于为衍射均化器的子元件建立像素图形以产生具有希望形状和强度分布的图像。

图5B是修改期望图像以补偿激光中有限空间相干效应的方法框图。

图6是沿本发明形成的图像横截面的强度分布曲线，表示期望强度分布，该强度分布是用相干光或用有限空间相干光产生。

图7是类似于图6的曲线图，但有已经修正以对有限空间相干光进行补偿的另一期望强度分布。

图8A至8E是考虑有限空间相干光效应的方法的说明图。

图9是模拟有限空间相干光效果的等式中所用δ1和δ2间几何关系的说明图。

较佳实施例的详细描述

参照图2B，在本发明的较佳实施例中，提供衍射元件14，接收有限空间相干性的非均匀激光束15，并形成照射区22或有预选尺寸和形状并在位于目标平面的区域上具有均匀光能分布的图像。元件14通常由石英玻璃或玻璃板制成，该板被蚀刻以便以下述方式在其上形成像素图像。衍射元件14可分成例如图2A所示13a和13b那样的子元件。

在说明书将详细叙述的实施例中，期望的图像如图1所示是一对在纵向稍微相互偏移的狭长平行的照射区域22a和22b。用本发明还可形成另外大小和形状的图像。该图像提供作为要求的本发明的一个使用例子。在这个说明性实施例中，照射区22a和22b示于图1，它们照射在通常不透明的掩模20上，该掩模包含多个孔24，入射光可通过孔到达工件。

衍射元件可包含多个子元件13，每个子元件从激光器10照射至子元件的入射光形成覆盖选定区域的相对均匀的光束，从而通过组合来自原光束不同部分的光以构成选定图像，使到达工件的光均匀。

由于入射激光的不均匀特性，照射到各子元件的光与照射至其它子元件的光的强度可能不同。使用多个子元件以均匀光束，因为各子元件产生按累积不相干叠加与其它子元件形成的图像组合的强度分布。在说明性配置中，如图2A所示，子元件以“棋盘”图形设置。每个“白”子元件13a形成图像22a，每个“黑”子元件13b形成图像22b。如果在入射激光束15的横截面中有相对亮和暗淡的区域(通常总是这样)，则图2A的衍射元件14工作以在整个图像区域扩展对各不连续性的影响，从而提供在整个区域有实质上均匀强度的图像。来自大量子元件的图像相互叠加，各子元件产生的图像中的未修正的变化将会消失，因而有大量的子元件会更增强整个图像的均匀性。

在希望从单个入射激光束同时形成两个空间分隔的图像时，如图2B所示，子元件的一半可用于形成每个图像。或者子元件可设计成形成整个图像。

在本发明的较佳实施例中，各子元件包括直线“像素”栅格。在该应用中，像素是已蚀刻成选定厚度的子元件的断续区域。在本实施例中，每个图像由81子元件的9×9阵列产生。示于图2A和2B的实施例，子元件的7×7阵列形成各图像。形成图像22a的子元件13a与形成图像22b的子元件13b交替设置，从而在图示的衍射元件14中，实际上有98个子元件13。在一个较佳实施例中，每个子元件例如是2.8×1.4mm，包含980000个像素，每个像素是每边2微米正方形区域。

图3说明含本发明衍射均化器用于在工件中激光烧蚀孔的简单装置。由激光器10提供激光束15，该激光器可是准分子激光器。光束15导向已有技术中熟知且包含准直仪18的光学元件16，向衍射均匀器14提供准直光束17。在此实施例中，衍射均化器14产生两个均匀光束19，每个光束在掩模20上产生照射区域或图像22。图22a、22b在其范围中有大致均匀的能量强度。暂且不论与衍射效率有关的损失，几乎所有激光能量均导向图像22，从而掩模20的其它区域照射很少。没被掩模20阻隔穿过其中形成的孔24的光作为掩蔽的光28照射至工件26。在本实施例中，掩蔽光束28以由掩模20中的孔24的图形确定的预选位置在工件26中烧蚀孔30。在较佳实施例中，由于衍射均化器14产生图像的均匀性，各掩蔽光束有大致相同的能量。从而，因照射至掩模20的均化光束19的均匀性，可以大致相等速率在工件26中形成孔30。

本领域技术人员理解，照射图像区22的形状可是任何希望的形状(受到物理限制)，并不必是图1A所示的狭长区域。也不需图像在其整个区域中有均匀强度。用本发明可形成有选定强度变化的图像。在仅需向工件施加均化和适当成形激光束而不需由掩模提供精确尺寸特征的某些应用中，掩模可任选。这样，对例如激光退火半导体元件等的应用中，衍射均化器12可设计成直接在工件上形成正方形或矩形区域而不包含掩模。

应注意，图3是为读者理解本发明而作的简单说明，而不是烧蚀装置的综合示图。一个典型的烧蚀装置包括含光学部件的许多附加部件。尤其，物镜或其它光学元件可位于衍射均化器和掩模之间，缩小像透镜可位于掩模和工件之间，从而掩模上的图像可按比例地大于工件上形成的特征。

图4是本发明较佳实施例的衍射均化器典型部分剖面图。显示如何形成像素。每个像素占据均化器14表面上的限定区域。在一个较佳实施例中，每个像素占据每边2微米的正方形区域。量化像素相移，使每个像素提供例如0弧度、π/2弧度、π弧度或3/2π弧度相移。如图4所示，可通过蚀刻包含衍射均化器表面的石英玻璃0、X、2X或3X深度来完成上述要求，其中，X是对选定波长的光提供π/2相移的蚀刻深度(本领域技术人员理解，通过减少光板厚度，不行进得更快，结果相位超前)。当前的技术水平下，用半导体制造蚀刻技术或半导体掩模蚀刻技术，以该像素密度把石英玻璃板蚀刻至这些尺寸是可行的。在各子元件中选择像素相移，从而经子元件传输的光产生的干涉图形将形成在横区域中具有均匀强度分布的期望照射区域。当然，在本发明变换实施例中，可提供另一种像素状态。

目前已知或以后发展的其它方法也可用于建立本发明的有相移像素阵列的均化器。例如，不蚀刻基材中的像素，可用淀积处理，以选定图形形成已知折射率的材料，从而构成均化器。或者，以某种图形在基片上设置折射率变化的材料，提供期望的像素配置。

考虑到各像素间的干涉效应及入射光的空间相干性，适当选择每个像素的相移，用本发明的方法，来自子元件的光可在有选定尺寸和形状的图像区域均匀分布。

本领域技术人员理解，虽然可在形成期望图形的子元件中建立像素图形，该像素图形的设计却远非常事。根据本发明的较佳实施例，应用几个独特的步骤设计该像素图形，即，选择四个可能状态的哪一个应用于子元件中的各像素。

首先，确定目标平面中原始期望强度或流量图形。图6中，原始期望图形600的截面图显示为数据点以圆圈所示的阶跃函数。在照射区域中，期望强度为常数级，在照射区外，期望强度为零。假设相干光，用下文参照图5A讨论的用于建立像素图形的“反向相干模型”(coherent inverse model)，用数字方式产生第1像素图形，以产生近似于原始期望强度图形的图像。

第二，用两种模型模仿第1像素图形产生的图像。第1模型(“前向相干模型”(coherent forward model))假设激光是完全相干的，并如图6曲线601所示，提供这种情况下可由第1像素图形产生的实际图像。显然，如所希望的那样，在图像边缘强度很快上升。在图像区域中的强度波动是使用这种用全相干光形成长均匀照射区技术的特点。第2种模型(“前向部分空间相干模型”)，如下文参照图5B所讨论那样，考虑激光的部分空间相干特点。该模式产生如图6显示数据点的正方形所示的强度图形602。显然，激光的部分相干特点的影响是在图像边缘使强度图形变圆，在图像中通常减小强度。不可接受的许多激光能量落到图像边界外，图像边界中的强度不适当的“平坦”。希望把落到期望区域外的光重新导至图像区域，由此提高并改进图像中强度曲线的均匀性。

第3，比较前向相干模型和前向部分空间相干模型的结果并确定卷积函数(“狭缝函数”)，从而在应用于由前向相干模型形成的图像时，近似提供由前向部分空间相干模型形成的图像。参见下文图8的讨论，该卷积函数然后反向用于原始期望图像，形成“修改的期望图像”，当与狭缝函数卷积时，近似得出原始期望图像。修改期望图像的一个例子示于图7的710(以圆形数据点表示)。

第4，修改期望图像用作像素图形产生系统的输入(反向相干模型)，从而产生修正像素图形，产生如图7曲线712(三角数据点)所示的近似修改期望图像(假设相干光)。因为在产生修改期望图像中考虑了空间相干的影响，修正像素图形用于具有有限空间相干的光时，可建立近似于原始期望图像和强度图形714。注意，截面714在图像边界中有宽平的强度分布，这正是要获得的期望特点。产生修改期望图像后，对衍射均化器14中的各子元件13重复该第4步骤，以便设计整个装置。

图5是本发明较佳实施例中所用的反向相干模拟法的详细框图。根据退火之类的优化技术或遗传算法可用于建立形成期望图像的像素图形。在本实施例中，用模拟退火。图5A是用模拟退火方案产生像素图形所需步骤的流程图。

首先，步骤502，识别要设计的子元件，步骤504，确定选定的子元件要产生的期望流量或强度图形。在本实施例中，各子元件形成的期望强度图形是在图像指定边界内有均匀强度分布的狭长矩形。自然，用本发明也可形成其它图像，包括有非均匀强度分布的图像。步骤502和504必须确定题目的几何条件，包括从元件平面到目标平面的距离和各自平面中子元件与图像的相对位置。

接着，在步骤506，用子元件像素随机配置(即各像素随机设置在图4所示4个状态之一)，启动计算机模型，该模型模拟由选定子元件的所有像素建立的干涉图形。在步骤508，启动计算机模型中选择并使用初始“温度”。在已有技术熟知的“模拟退火”算法中使用该“温度”。关于模拟退火，可例如参见W.H.Press等人著“模拟退火的组合极小化法”10.9章，数字方法C(Numerical Recipes in C)1988(钮约Cambridge大学出版社1988年)。如果应用遗传算法，则还需要模拟初始化。关于遗传算法，例如参见E.Johnson等人著“衍射光设计中遗传算法优化法的优点”(SPIE光学工程出版社S.Lee 1993，“衍射和微型镜片”)。

在步骤510，用像素的初始随机配置运行相干模型，对目标平面的所有点计算得到的模型图像的强度。该模型假定用于产生图像的光是相干的。

在较佳实施例中，使用含数值积分式 $\mathrm{\ψ}(x_p,y_p,z_p)=\frac{\sqrt{I}}{\mathrm{i\λf}}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{pixel}}}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{\mathrm{i\φ}}\underset{\mathrm{pixeli}}{\∫\∫}{e}^{\mathrm{ikfU}(x_p,y_p,z_p,x_i,y_i,z_i)}{\mathrm{dx}}_i{\mathrm{dy}}_i$ 的相干模型，在(x_p,y_p,z_p)点求单色标量ψ，式中，I是入射至衍射元件的强度，λ是入射光波长，f=z_p-z_i，z_p＞z_i并设(z_p-z_i)²＞＞(X_p-X_i)²+(y_p-y_i)²。N_pixel是衍射元件像素数，φ_i是像素离散相位，对多数设计为0,π/2,π或3/2π。K是波数2π/λ且 $U(x_p,y_p,z_p,x_i,y_i,z_i)\≡\frac{g}{2}(1-\frac{g}{4}(1-\frac{g}{2}(1-\frac{5g}{8})))$ 式中， $g\≡$ $\frac{{(x_p-x_i)}^2+{(y_p-y_i)}^2}{{(z_p-z_i)}^2}$ 对图像区所有期望点(x_p,y_p,z_p)计算积分。按纯量场幅度平方取得强度。

在步骤512估算模型图像和期望图像的差。确定“优值函数(meritfunction)”，该函数对期望强度图形和计算强度图形的差进行量化。优值函数提供一个数值结果，表示像素的一种配置是否比另一种配置更适用于期望图形。根据设计选择，使用优值函数，包括绝对差(L1准则)、最小二乘方(L2准则)。在较佳实施例中，可由下式确定优值函数： $M=\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}|I_{\mathrm{desited}}(x_i,y_j)-I_{\mathrm{mode}\mathrm{led}}(x_i,y_j)|$ 其中，I_desired(x_i,y_i)和I_modeled(x_i,y_i)分别是图像区点(x_i,y_i)的期望强度图形和模型强度图形。

步骤512估算优值函数后，在步骤514，对子元件中随机选定的像素作随机变化。在步骤516使用相干模型计算优值函数产生的变化。通过用改变的像素模拟子元件产生的强度图形并再次估算优值函数，完成上述步骤。本领域技术人员理解，计算新优值函数的图像区域中各点，仅需计算变化像素的影响，因为该变化线性地加至标量波积分。如判决框518所示，新的估值函数结果再次与前一优值函数进行比较。

如果像素变化改进了优值函数(指期望图像与模型图像更符合)，则在步骤520，该像素变化是可接受的。如果判决框518确定，新估值函数没有前一优值函数好，如步骤522所示，则在步骤524判决算法用于确定接受还是拒绝像素配置中作出的最后变化。如果判决框524确定拒绝像素配置的最后变化，则在步骤526取消该改变。根据本发明较佳实施例中应用的模拟退火理论不拒绝产生较差优值函数的某些像素变化。其理由是避免像素图形陷入局部最小，从而使模型可连续搜索以获得像素图形全面最优化。根据模拟退火理论，模型在选定“温度”开始进行。该温度是一个参数，用于判决框524所代表的算法，以确定接受还是拒绝产生优值函数负变化的像素改变。例如，已有技术熟知的标准Metropolis算法可用于作出该判决。

步骤528的计数器用于在作出接受或拒绝像素变化的判决后，控制模型循环回到框514。在初始“温度”执行选定的重复次数，具体选择数在设计中作出。对大量像素，循环执行的次数多到比得上模拟像素数。在较佳实施例中，对有980000像素的子元件该数选择为约一百万。如果计数器528确定已完成期望重复次数，则在步骤530模型中使用的“温度”减少例如百分之十，在较低温度运行另一种重复。对选定的降“温度”组重复该过程。最终，用判决框532确定是否已完成模型，该判决可例如通过确定前一温度变化引起的优值函数改进量是否低于预定阈值而作出。确定模型执行已完成时，则在534提供最后像素图形作为输出并在步骤536程序退出。为设计有约一百万像素的单个子元件而执行根据较佳实施例的该模型时，本申请发明人在单处理器Cray J-90计算机中处理约4天。

上述参照图5A讨论的像素设计，假定使用的激光是相干的，这实质上简化了必须作出的计算并减少了执行该模型的时间。但实际激光并不完全是相干的，从而考虑部分空间相干效应改进来自各子元件的图像。参照图6，该图显示子元件形成的图像截面的强度，期望强度图形600是阶跃函数。假设用相干光形成图像，由上述讨论的相干模型设计的像素配置形成的强度图形的601所示(该强度图形用图5A框510的模型产生)。由同样像素配置，但假定(实际上是)激光有限空间相干性形成的强度图如602所示。注意，曲线602是十分弯曲的圆弧形，它不能如许多工业应用所要求那样，提供大致均匀强度的区域。大量激光能量落至期望图像边界外，最好把尽可能多的激光能量导入期望图像边界内的区域。还应注意，通过有限空间相干光的有限相干效应，平滑了相干光曲线601所显现的图像中的非均匀强度，如果可改进部分相干分布的形状，则可改进强度分布质量。

由基于E.Wolf著的“来自有限源的光的干扰和衍射的宏观理论；具有狭谱范围的场”(皇家学会会刊，A序号，225卷，96-111页，1954年)一文中对图像平面各点求解的方程式2-14的模型，产生部分相干曲线602。该模型考虑部分相干且发现该模型大致与实验结果相似。

图5B表示一流程图，该流程显示不必在图5A流程中模拟部分空间相干性，如何对子元件设计像素图形考虑部分相干影响。首先，在步骤550确定选定光源的部分相干性。可例如通过执行双狭缝实验或使用切变干扰仪(两者均是已有技术中熟知的)可实验确定光源相干级。

通过对待使用光源进行双狭缝实验可从下式确定相干度函数 $r(x_1,x_2)=\frac{\sqrt{\frac{I\left(x_1\right)}{I\left(x_2\right)}}+\sqrt{\frac{I\left(x_2\right)}{I\left(x_1\right)}}}{2}\left(\frac{I_{\max }\left(\right|x_1-x_2\left|\right)-I_{\min }\left(\right|x_1-x_2\left|\right)}{I_{\max }\left(\right|x_1-x_2\left|\right)+I_{\min }\left(\right|x_1-x_2\left|\right)}\right),$ 其中：两个狭缝位于互距|x₁-x₂|处，I_max是实验的干涉图形的最大强度，I_min是次于该最大强度的第1最小强度。假定，相干度函数相位在测试区域相对变化小，因而从上述等式省略。该实验结果是部分相干度对于狭缝间距的曲线。

在框522提供衍射元件，该元件假定激光是相干光，设计用于产生期望图像。该元件可利用图5A所示并在上述讨论的方法设计。接着，假设部分相干光554和相干光556，模拟选定的衍射元件提供的强度分布。

部分相干模型可执行上述确定的Wolf算法。在较佳实施例中，Wolf算法适用于如下作数值分析。Wolf方程提供通过像素阵列的准单色部分相干波前形成的图像P点的光强如下： $I\left(x_p\right)=\underset{\mathrm{\Λ\Λ}}{\∫\∫}\sqrt{I\left(x_1\right)I\left(x_2\right)}\frac{e^{\mathrm{lk}(r_1-r_2)}}{r_1{r}_2}{e}^{\mathrm{i\φ}\left(x_1\right)}{e}^{-\mathrm{i\φ}\left(x_2\right)}\mathrm{\Λ}(x_1,x_p){\mathrm{\Λ}}^{*}(x_2,x_p)\mathrm{\γ}(x_1,x_2){\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dx}}_2$ 其中：x_p是计算强度的点，

  x₁和x₂是积分点，

  A是对入射波前的积分面积，

  I_i是x1处光强，

  K是波数， $r_i\≡\sqrt{{(x_i-x_p)}^2+{(y_i-y_p)}^2+{(z_i-z_p)}^2},$ φ(x₁)是x₁处光的相对相位， $\mathrm{\Λ}(x_i,x_p)\≡\frac{i}{2\mathrm{\λ}}(\cos {\mathrm{\δ}}_i^{\′}-\cos {\mathrm{\δ}}_i)$ 其中：λ是波长，δ_i′和δ_i是图9所示的角度，γ(x₁,x₂)是说明点x₁和x₂间相干度的复函数。参照图9，平面A是衍射元件所处的平面。基准基910垂直于平面A。角δ₁是线910和激光源的入射光线912间的夹角。角δ′是线910与相应于入射光线912的衍射光线914间的夹角。

对这种特定应用，可假定δ_i′=π,δ_i=0。从而A=i/λ。还可假定r_i≈R。从而等式变为： $I\left(x_p\right)=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2{R}^2}\underset{\mathrm{\Λ\Λ}}{\∫\∫}\sqrt{I_1{I}_2}{e}^{i({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)}{e}^{\mathrm{ik}(r_1-r_2)}{\mathrm{\γ}}_{12}{\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dx}}_2$ 使该式离散化可得： $I\left(x_p\right)\≈\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2{R}^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{I\left(x_i\right)}{e}^{i{\mathrm{\φ}}_i}\underset{\mathrm{pixeli}}{\∫}{e}^{{\mathrm{lkr}}_i}{\mathrm{dx}}_i\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}\sqrt{I\left(x_j\right)}{e}^{-i{\mathrm{\φ}}_j}\underset{\mathrm{pixelj}}{\∫}{e}^{\mathrm{ik}{r}_j}{\mathrm{dx}}_{j,}$ 其中，N为像素数。通过作下述限定 $A_i\≡\sqrt{I\left(x_i\right)}{e}^{i{\mathrm{\φ}}_i}\underset{\mathrm{pixeli}}{\∫}{e}^{{\mathrm{ikr}}_j}{\mathrm{dx}}_i,$ 该离散等式变为： $I\left(x_p\right)\≈\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2{R}^2}\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}{A}_j^{*},$ 其中，N_p是入射波前遇到的不同相位像素的总数。

为进一步简化，可假定γ_ij相对于上述等式中的相位和被积函数是慢变函数。从而，γ_i和γ_j小于某个距离间隔时，γ_ij≈1。像素阵列概念上可分成超级像素集，以便测试超级像素间的相干度，每个超级像素是相邻接像素的一个选定组。这样，等式现在变为 $I\left(x_p\right)\≈\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2{R}^2}\underset{i=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_p}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ij}}{B}_j^{*},$ 我们已限定N_sp是超级像素总数且： $B_i\≡\underset{j=L_i}{\overset{H_i}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j,$ L_i是B_i中号数最小的像素的最低数，H_i是B_i中号数最大的像素。

在计算机模型中执行这些等式是本领域技术人员熟知的。这取决于模型所用的计算系统的类型，因而，这里不说明计算程序的细节。对目标平面中的各点进行这些计算的结果表示假设部分相干光时的强度分布，该分布接近于工业设置中给定像素图形建立的实际强度分布。

相干模式可应用图5A中框510的算法。图6表示期望强度分布600的剖面、相干强度分布601和设光有部分空间相干性时的强度分布。然后从这些数据导出卷积函数或“狭缝函数”(框558)以近似求出相干强度分布601与部分相干强度分布602间的关系，从而相干分布与狭缝函数卷积时，以更高近似程度再产生部分相干强度分布602。

接着，通过原期望图像与狭缝函数去卷积，形成修改的期望图像(参见框560)，从而，修改的期望图像与狭缝函数卷积时，提供原期望图像。在说明的实施例中，该修改的期望图像示于图7的曲线710。由图可见，对部分相干进行卷积修正的效果是在图像边缘提升期望强度，以抵消在图像边缘部分相干响应过慢提升的趋势。注意，图6和图7标明的是横剖面，卷积操作实际上对两维图像上的强度分布进行。

图8表示可用于本发明的卷积技术曲线，以有助于读者理解该技术。图8A表示假设期望强度分布，它是阶跃函数。图8B是实际强度分布，是利用设计成用相干光提供期望强度发布的衍射元件照射部分相干光时获得的。如图可见，部分相干效果是使强度分布扩展和变圆。图8C表示可导出的卷积或狭缝函数，用于限定图8A与8B间的关系。向期望分布施加图8A的卷积函数时，产生图8B的曲线。图8D表明由图8A的原期望强度分布与图8C的卷积函数去卷积(约束条件是强度保持正值)得到的修改的期望强度分布。接着以该修改的期望强度分布作为初始条件在假设相干光时设计衍射元件。由这种衍射元件使用部分相干光时产生的实际强度分布示于图8E。注意，曲线顶部的相对宽平区域，表示在工业条件下由该衍射元件可形成大致均匀的高强度照射区。

如框562所示，图7框710所示的修改期望图像可用作图5A方法中的输入期望图像，产生实际用于本发明较佳实施例中衍射均化器的子元件的图像图形。对各附加子元件限定期望图像，通过该期望图像与上述狭缝函数去卷积获得修改的期望图像，上述参照图5A讨论的像素图形产生方法用于设计该子元件。由于子元件与期望图像间的对称性，不必对每个子元件重复全部设计过程。实际上，对于双向对称图像，仅需对子元件的一个象限进行全部计算，可通过旋转和复制先前设计的子元件得出其余部分。

在本发明的较佳实施例中，可作进一步修正以对激光光束的非对称性进行补偿。准分子激光器通过光束分布描述成“高帽形/高斯分布”。光束在电极之间的轴上大致呈高帽形，在其他轴则为高斯分布。但是，这仅是定性的光束形状。详细而言，在阴极和阳极间强度通常还是有持续梯度，高斯分布的轴上缺少完整对称性。图像系统分辨率直接随照射的数值孔径变化。如果非对称光束由光束扩张镜适当调节，则进入均化器的光束总尺寸将大致与某些阈值级小强度确定的尺寸相同。但是，两轴中的分布是很不相同的。从高帽形分布方向(电极轴)来的光更多地在基底平面以宽角度发送，具有在该方向增加总数值孔径的效果，从而建立更高的图像分辨率。在两个轴中图像分辨率的差异可产生在基底观察时这些轴中处理结果的不同。通常，这种差异无助于制造过程，希望避免这种差异。

通过减少从激光器接收相对高的子元件有效发射的光强度，可控制各子元件发射的光强的差异。换言之，可衰减来自激光束“热点”处的子元件的光强。通过使子元件像素的选定百分比随机化，可减少发射光至期望图像的这些子元件的效率，从而完成上述处理。随机化像素工作，散射入射至子元件的部分光，并观察到在随机像素百分比与发射至照射区的强度减少间有可明确预计的关系。观察到，子元件中某些像素随机化不对该子元件产生的照射区质量产生不良影响，它仅减少分布强度。

工业应用中使用的各激光源具有特征光束分布，或在其产生的光束横截面中有较亮和较暗区域的不同图形。一个例子是上述讨论的阴极和阳极间的梯度。在烧蚀应用中可提供量级为千兆次发射的激光源的使用寿命中，光束分布缓慢变化。应用子元件强度修正的衍射均化器可为要使用的特定激光源专门设计和制造。一旦设计为获得期望图像的衍射均化器，如本专利申请其它部分所述，可改变各衍射均化器选定子元件的发射效率，对各激光源的不规则性进行补偿。

在本发明较佳实施例中，用下述方法完成子元件强度修正。首先，测试激光源以获得两维光束强度分布。第二，衍射均化器子元件中央映像叠加在强度分布上，该强度分布与把光束映射在实际烧蚀系统的衍射均化器相对应。第三，强度分布分成多个环绕衍射均化器中心点的同心圆“仑室”。因为烧蚀系统图对称，因而在各圆形仑中使强度相等就足够了，不必在整个衍射均化器上均衡强度。第四，在各仑室中，考虑各点光束强度，作出判决以对与仑室中最亮点对应的衍射均化器子元件施加选定量的强度修正。通常不希望把仑室中所有点的强度减至仑室中最暗点的强度。确定提供多少强度修正是每次应用中的设计选择，包括下述竞争目标：(a)向工件提供尽可能多的能量，(b)从各子元件提供大小均匀的能量。最后，可改变衍射均化器设计(以计算机可读形式)，向每个子元件提供选定量的强度修正。

可改变子元件以通过随机改变该子元件中像素选定百分比的值提供强度修正，可根据经验或通过模拟确定所需强度修正量与必须随机化的像素数之间的关系。一旦在特定应用中确定了该关系，则可用于所有需修正的子元件。用选定的强度修正修改，初始衍射均化器设计后，可把计算的设计用于以熟知的已有技术制造衍射均化器。每个用本方法定制的衍射均化器均与特定激光源相关，并在相应激光源安装的同时，以正确取向安装在烧蚀装置中。如果在相应激光源耗尽前，定制的衍射均化器耗尽或损坏，则从为重制目的保留的计算机设计信息制造同样的衍射均化器是相当简单的事情。

此外，设计和对准良好的高精度成像系统，即使照射区域极其均匀，还是跨越成像透镜视场呈现系统的和对称的偏差。这些偏差会由成像透镜色差产生，尤其在如果是全石英透镜而没有进行色补偿时，因为准分子激光不是真正单色的。偏差也可来自镜片老化和其它镜片象差。观察到的烧蚀特征(例如孔径)偏差可很小(量级0.5微米)。对这些由系统固有特性引起且可重复的偏差而言，衍射均化器方案有助于对照射区域烧蚀过程提供灵活的补偿。例如，如果使用本发明的系统跨成像透镜视场烧蚀一排孔且出口直径显示“微笑型”特点(近FOV边缘处大孔)，则可通过有目的地设计照射区域，使靠近照射区域边缘处有较低强度，来修正上述情况。实验显示其效果达到强度降低至5％或以下。显然，不能通过使用常规衍射均化器，以为精确改变所有照射区而有目的地设计均化器，来得到这种控制。

根据本说明书修改和变换本发明的实施例，对本领域技术人员是显而易见的。本发明的变换应用也是显然的，本发明可应用在要求发射光束均匀和成形的其它领域，包括(但不限定)各种退火处理和核聚变过程。因而，本说明书仅作为说明，其目的在于，以实施本发明的方式，对本领域技术人员进行教导。应理解，这里显示和说明的本发明形式作为较佳实施例。在部件形状、尺寸和配置上可作出各种改变。例如，这里说明的元件可变换成等效元件，本发明的某些特点可加以利用而与其它特点的使用无关，在利用本发明说明书后，所有这些对本领域技术人员均是显而易见的。

Claims (10)

1．一种衍射均化器，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。

2．一种衍射均化器，用于响应朝其发射的大致单色的照射波，产生预选照射图形，其特征在于，该衍射均化器包括：

多个衍射元件，每个元件把入射的所述照射的至少一部分导至所述选定照射图形；

各衍射元件包括多个像素，每个像素占据一元件的离散区域，各像素对通过其的照射产生选定相移；

其中，所述像素设置成使通过各元件像素的照射产生的干涉图形，对预定的照射图形形成该元件的选定影响。

3．一种用选定照射图形照射目标的装置，其特征在于，它包括：

形成照射束的照射源，和

位于所述照射束路径中的衍射均化器，所述衍射均化器包含元件阵列，每个元件包含多个像素，各像素占据元件的离散区域并对通过的照射产生选定相移；

其中，所述像素设计成使通过各元件像素的照射产生的干涉图形，对选定照射图形形成该元件的选定影响；

所有元件的组合影响形成目标处照射的选定图形。

4．如权利要求1、2或3所述的衍射均化器，其特征在于，选择每个像素，对通过的照射产生大小为0、1/2π或3/2π弧度的相对相移。

5．如权利要求1、2或3所述的衍射均化器，其特征在于，所述照射是激光。

6．如权利要求1、2或3所述的衍射均化器，其特征在于，所述衍射均化器由石英玻璃制成。

7．如权利要求1、2或3所述的衍射均化器，其特征在于，选择各像素引起的相移，对入射光束的有限空间相干性进行补偿。

8．如权利要求1、2或3所述的衍射均化器，其特征在于，把至少一个子元件中的像素选定百分比加以随机化，以减小所述至少一个子元件形成的图像的强度。

9．一种使根据权利要求1、2或3的衍射均化器响应于通过所述衍射均化器的照射束形成预选照射图形的方法，所述衍射均化器形成多个元件，每个元件包含多个像素，各像素是元件的离散区域，对通过的照射产生选定相移；其中，所述像素设置成使通过各元件像素的照射产生的干涉图形，对选定照射图形形成该元件的选定影响；所有元件的组合影响形成选定照射图形；其特征在于，在元件中配置所述像素的方法包括下述步骤：

确定希望所述元件形成的预选照射图形；

确定可使用的像素值组，每个像素值对通过该像素的照射提供选定相移；提供一计算机，编制其程序以计算任何像素配置形成的照射图形；

通过提供所述元件像素的随机配置，启动所述计算机程序；

对像素的随机配置确定模型照射图形；

确定所述选定照射图形和模型照射图形的差的量；

优化所述像素配置，使所述选定照射图形和模型照射图形的差实质上最小。

10．一种补偿衍射元件中部分空间相干的方法，该衍射元件包括根据权利要求1、2或3的离散衍射元件的配置，并响应通过的照射而产生原始期望图像；其特征在于，该方法包括下述步骤：

提供初始衍射元件；

确定通过所述衍射元件的相干照射形成的第1图像；

确定通过所述衍射元件的部分相干照射形成的第2图像；

确定与所述第1图像卷积时产生所述第2图像的卷积函数；

向所述初始期望图像相反提供所述卷积函数以获得修改的期望图像；

用所述修改的期望图像作为期望图像设计最终衍射元件。

Images