使用微透鏡陣列而產生線路的光學設計的制作方法

背景

發明領域

本發明的實施例一般涉及半導體基板的熱處理。特別地，本發明涉及半導體基板的激光熱處理。

相關技術的描述

在形成于硅晶片或諸如用于顯示的玻璃面板之類的其它基板中的硅和其它半導體集成電路的制造中需要熱處理。所需要溫度可在自小于250℃的相對低溫至大于1000℃、1200℃或甚至1400℃的范圍內，且可用于各種工藝，諸如摻雜劑注入退火、結晶、氧化、氮化、硅化和化學氣相沉積以及其它工藝。

對于高級集成電路所需要的極淺(very shallow)電路特征，期望減少實現所需要熱處理的總熱預算。熱預算可認為是在實現期望處理溫度所必需的高溫下的總時間。晶片需要在最高溫度下停留的時間可能極短。舉例而言，快速熱處理(Rapid thermal processing；RTP)使用輻射燈僅加熱晶片而不加熱腔室的其余部分，所述輻射燈可很快開啟和關閉。使用極短(約20ns)激光脈沖的脈沖激光退火對僅加熱表面層而不加熱下層晶片有效，因此允許極短的斜升速率及斜降速率。

各種形式的最近開發的方法，有時稱為熱通量激光退火或動態表面退火(dynamic surface annealing；DSA)，使用錐形光導管和變像成像光學器件來產生照在晶片上的極強烈光束作為薄長線路的輻射。隨后在晶片的表面上沿垂直于線路光束的長尺寸的方向掃描線路。然而，據報告，用來沿著慢軸(即，線路長度方向)將圖像均化(homogenize)且成比例縮放的光導管易碎且難以制造，且易受與系統中其它光學器件的未對準的影響。

因此，需要用于投射激光線路圖像的更有效且更經濟的光學系統，該光學系統不太受對準錯誤的影響且不易碎。

發明概述

本發明一般涉及半導體基板的熱處理。在一個實施例中，提供用于處理半導體基板的熱處理設備。設備包括：基板支撐件；激光輻射源，該激光輻射源沿著在激光輻射源與基板支撐件之間的光學路徑發射激光輻射；照明光學器件，該照明光學器件沿著光學路徑設置，該照明光學器件包括慢軸透鏡集合和快軸透鏡集合，該慢軸透鏡集合具有彼此間隔開的至少第一柱狀透鏡和第二柱狀透鏡，該快軸透鏡集合具有彼此間隔開的至少第一柱狀透鏡和第二柱狀透鏡，該快軸透鏡集合設置在該慢軸透鏡集合的第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間；均化器(homogenizer)，該均化器沿著光學路徑設置在照明光學器件與基板支撐件之間用于使自激光輻射源的激光輻射均化，該均化器包括柱狀透鏡的第一微光學小透鏡(lenslet)陣列和柱狀透鏡的第二微光學小透鏡陣列，柱狀透鏡的第二微光學小透鏡陣列具有相對大于柱狀透鏡的第一微光學小透鏡陣列的小透鏡間距的小透鏡間距。在一個實例中，第一微光學小透鏡陣列的小透鏡軸和第二微光學小透鏡陣列的小透鏡軸沿著軸定向，該軸平行于激光輻射源的快軸。設備進一步包括多個聚光透鏡，所述多個聚光透鏡沿著光學路徑設置在均化器與基板支撐件之間，用于在基板的表面處聚焦線路圖像，所述多個聚光透鏡具有至少五個具有全球形表面的透鏡。

在另一個實施例中，提供用于處理半導體基板的熱處理設備。設備包括：基板支撐件；激光二極管桿(bars)陣列，該激光二極管桿陣列在第一波長處發射激光輻射，該激光二極管桿陣列布置在沿著慢軸延伸的多個平行列內，所述列的激光二極管桿沿著快軸布置在堆疊(stack)內，其中慢軸和快軸與在激光二極管桿陣列與基板支撐件之間的光學路徑正交；照明光學器件，該照明光學器件沿著光學路徑設置在激光二極管桿陣列與基板支撐件之間，該照明光學器件包括偏振分光鏡、具有彼此間隔開的至少第一柱狀透鏡和第二柱狀透鏡的慢軸透鏡集合、具有彼此間隔開的至少第一柱狀透鏡和第二柱狀透鏡的快軸透鏡集合，該快軸透鏡集合設置在該慢軸透鏡集合的第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間；二向分光鏡，該二向分光鏡設置在該快軸透鏡集合的下游且構造成將自加熱基板反射的第二波長和第三波長的激光輻射重導引至高溫計；和波片，該波片設置在二向分光鏡的下游以將激光輻射的偏振旋轉90度；均化器，該均化器沿著光學路徑設置在照明光學器件與基板支撐件之間，用于將激光輻射沿著慢軸均化，該均化器包括柱狀透鏡的第一微光學小透鏡陣列和柱狀透鏡的第二微光學小透鏡陣列，柱狀透鏡的第二微光學小透鏡陣列具有相對大于柱狀透鏡的第一微光學小透鏡陣列的小透鏡間距的小透鏡間距；和聚光透鏡集合，該聚光透鏡集合沿著光學路徑設置在均化器與基板支撐件之間，用于在基板之表面聚焦線路圖像，該聚光透鏡集合具有至少五個具有全球形表面的透鏡。

在又一個實施例中，提供用于處理半導體基板的熱處理設備。設備包括：基板支撐件；激光二極管桿陣列，該激光二極管桿陣列布置在沿著慢軸延伸的多個平行列內，所述列的激光二極管桿沿著快軸排列在堆疊內，慢軸大體垂直于快軸；照明光學器件，該照明光學器件設置在激光二極管桿陣列與基板支撐件之間，該照明光學器件包括慢軸透鏡集合和快軸透鏡集合，該慢軸透鏡集合具有彼此間隔開的至少第一柱狀透鏡和第二柱狀透鏡，該快軸透鏡集合具有彼此間隔開的至少第一柱狀透鏡和第二柱狀透鏡，該慢軸透鏡集合沿慢軸準直激光束輻射，該快軸透鏡集合設置在該慢軸透鏡集合的第一柱狀透鏡與第二柱狀透鏡之間以沿快軸準直激光束輻射；和均化器，該均化器設置在照明光學器件與基板支撐件之間，用于使由照明光學器件沿著慢軸準直的激光束輻射均化，該均化器包括柱狀透鏡的第一微光學小透鏡陣列和柱狀透鏡的第二微光學小透鏡陣列，該柱狀透鏡的第二微光學小透鏡陣列平行于柱狀透鏡的第一微光學小透鏡陣列設置且與柱狀透鏡的第一微光學小透鏡陣列間隔開，柱狀透鏡的第二微光學小透鏡陣列具有相對大于柱狀透鏡的第一微光學小透鏡陣列的小透鏡間距的小透鏡間距；和聚光透鏡集合，該聚光透鏡集合沿著光學路徑設置在均化器與基板支撐件之間用于在基板的表面聚焦線路圖像，聚光透鏡集合具有至少五個具有全球形表面的透鏡。

附圖簡要說明

因此，可詳細理解本發明的上述特征的方式，可參考各實施例獲得上文簡要概述的本發明的更具體描述，一些實施例圖示于附圖中。然而，應注意的是，附圖僅描繪本發明的典型實施例，且因此不應視為對本發明的范圍的限制，因為本發明可允許其它同等有效的實施例。

圖1是根據本發明的一個實施例的熱通量激光退火設備的示例性透視圖。

圖2概念上表示具有激光二極管桿陣列和光學器件的光學系統，所述激光二極管桿陣列和光學器件共同工作以產生且聚焦待導引至晶片上的均勻分布的激光。

圖3表示激光二極管桿陣列的端平面圖。

圖4A和圖4B表示經由示例性照明光學器件傳播的輸出光束的慢軸視圖和快軸視圖。

圖5A表示微透鏡陣列均化器的慢軸視圖。

圖5B表示預均化透鏡陣列的一部分小透鏡陣列的慢軸特寫視圖。

圖6A表示經由示例性傅里葉變換透鏡傳播的激光束的慢軸視圖。

圖6B表示傅里葉變換透鏡的在畸變函數(distortion function)與歸一化(normalized)輻射強度I(θ)以及照射度函數H(y)之間的關系。

圖7表示根據本發明的一個實施例的光學系統的透鏡布置的慢軸視圖，該光學系統包括激光二極管桿陣列、照明光學器件、微透鏡陣列均化器、傅里葉變換透鏡和高溫計收集光學器件。

具體描述

圖1是根據本發明的一個實施例的熱通量激光退火設備的示例性透視圖。設備2一般包括用于二維掃描的支架(gantry)結構10。支架結構10可包括一對固定平行軌12、14。將兩個平行支架橫梁16、18間隔設定距離固定在一起且支撐在固定軌12、14上，且由電機(未圖示)和驅動機構(未圖示)控制兩個平行支架橫梁16、18以共同沿著固定軌12、14在滾輪或球軸承(未圖示)上滑動。光束源20可滑動地支撐在支架橫梁16、18上，且可懸掛在橫梁16、18下方，光束源20由未圖示的電機和驅動機構控制以沿著支架橫梁16、18滑動。可將基板(例如，硅晶片22)靜止地支撐在支架結構10下方。如下文將更詳細論述，光束源20一般包括激光光源和光學器件以產生光束24，該光束24照在晶片22上作為線路束26，線路束26一般平行于固定軌12、14延伸，該方向在下文參考為慢方向(即，線路長度方向)。

盡管在此未圖示，但支架結構10可進一步包括Z-軸臺用于沿大體平行于扇形光束24的方向移動激光光源和光學器件，從而可控制地改變在光束源20與晶片22之間的距離且因此控制線路束26在晶片22上的聚焦。線路束26的示例性尺寸包括約5mm至約1cm的長度，例如約12mm，和約50μm至約90μm的寬度，例如約75μm，和220kW/cm²的示例性功率密度。或者，光束源及關聯的光學器件可以是靜止的，而將晶片支撐在臺(例如，X-Y臺)上，光束源在二維上掃描該線路束。

在一個實施例中，可將支架橫梁16、18沿著固定軌12、14設定在特定位置，且光束源20沿著支架橫梁16、18以均勻速度移動以沿著稱為快方向(即，線路寬度方向)的方向垂直于線路束26的長尺寸掃描線路束26。或者，光束源20可以是靜止的，而相對于光束源20移動晶片22，從而自晶片22的一側至另一側掃描線路束26以照射晶片22的1cm條帶(swath)。線路束26足夠窄且沿快方向的掃描速度足夠快，使得晶片的特定區域僅暫時暴露至線路束26的光學輻射，但在線路束的峰值處的強度足夠加熱表面區域至極高溫度。然而，晶片22的較深部分未經顯著加熱且因此充當散熱片以快速冷卻表面區域。一旦快掃描已完成，則將由X-Y臺移動的支架橫梁16、18或晶片22移動至新位置以使得線路束26沿著該線路束26的長尺寸移動，該線路束26的長尺寸沿著慢軸延伸。隨后再次執行快掃描以照射晶片22的鄰近條帶。可能沿著光束源20的蛇形路徑重復交替的快掃描和慢掃描直至已將整個晶片22熱處理。

在圖2中概念上表示示例性光束源20，圖2表示包括激光二極管桿陣列和光學器件的光學系統200，所述激光二極管桿陣列和光學器件共同工作以產生待聚焦在晶片22上的均勻分布的激光。在一個實施例中，光學系統200大體包括激光二極管桿陣列202、照明光學器件204、均化器206、傅里葉變換透鏡(或場透鏡)208和高溫計收集光學器件210，該均化器206可以是微透鏡陣列。箭頭“A”表示在約808nm處的激光輻射是由激光二極管桿陣列202產生且經由照明光學器件204、微透鏡陣列均化器206、傅里葉變換透鏡208按順序透射至晶片。自加熱晶片發出的一部分熱輻射是由傅里葉變換透鏡208收集且通過微透鏡陣列均化器206、照明光學器件204朝著激光二極管桿陣列202反向行進。可將光束反射器(未圖示)布置在微透鏡陣列均化器206與照明光學器件204之間以將在高溫計波長(940nm、1550nm，箭頭“B”)處自加熱晶片發射的一部分熱輻射導引至高溫計收集光學器件210，從而監測正進行熱處理的晶片的溫度。為避免或最小化對激光二極管桿陣列202的熱沖擊，照明光學器件204可包括一或更多束集堆(dumps)(未圖示)以收集自加熱晶片反射的熱輻射。下文將更詳細地論述光學系統200。

圖3表示激光二極管桿陣列202的端平面圖。激光二極管桿陣列202可具有多個二極管桿302，每一個都包括期望數目的激光二極管(未圖示)，例如，在二極管桿302上安裝且分隔400μm間距的約25個激光二極管。可將二極管桿302彼此平行而布置以形成激光桿堆疊304。二極管桿302和堆疊304的數目可取決于工藝所需要的輸出功率而改變。在輸出需求為自全部二極管桿陣列可獲得至少1600W的情況中，限制自給定二極管桿發射的總功率可有利于增加激光二極管的使用壽命。舉例而言，可將每一二極管桿302的總輸出功率限制為約60W。在間距為約1.8mm(高度)且二極管桿長度為約10mm的一個實施例中，功率密度/桿為約330W/cm²。為補償較低的光輸出，已決定，可要求總共9個二極管桿302(沿快軸方向)的3個堆疊304(沿慢軸方向)來滿足整體功率需求。因此，激光二極管桿陣列202具有如所示以3×9陣列分組的總共27個二極管桿302。

每一二極管桿302大體對應于p-n結，該p-n結構造為在適合于熱處理應用的波長處發射光束，例如，在約190nm與約950nm之間，且在808nm處為使用照明的特定應用。由于二極管桿302的幾何結構，來自每一離散二極管桿302的原始輸出光束在快軸和慢軸兩個方向上(兩個方向皆垂直于光束方向)是高度發散且不對稱的。典型快軸發散為約40°半高全寬(Full Width Half Maximum；FWHM)且慢軸發散為約10°FWHM。對于大多數應用，使用一或更多光學元件將輸出光束再成形為具有矩形截面的輸出光束可為有利。由于沿快軸方向觀察到更高發散，諸如柱狀透鏡(未圖示)的光學元件可覆蓋每一激光二極管以沿著快軸方向準直具有發散角Φ(圖4圖示輸出光束發散Φ的慢軸視圖)的輸出光束。在一個實施例中，對于全部操作電流，輸出光束穿過光學系統200沿著慢軸的發散小于7.5°半高全寬(FWHM)且沿著快軸的發散小于0.2°FWHM。

在一個實施例中，二極管桿302可具有約2mm至約20mm的長度，例如沿慢軸方向約10mm，且與鄰近二極管桿分隔約0.5mm至約3mm的桿間距“p”，例如沿快軸方向分隔約1.8mm或更少。堆疊間隔“d”(堆疊中心至堆疊中心)可介于約5mm與約25mm之間，例如約12mm或更少。激光二極管桿陣列202可具有約5mm至約30mm的高度“H”(該高度由桿的數目和桿間隔設定)，例如約14.4mm，和約15mm至約50mm的寬度“W”(該寬度也由桿的數目和桿間隔設定)，例如約34mm。設想包括二極管桿302的間隔、間距和/或大小的設置可取決于輸出功率需求而改變。據信具有此特定幾何結構的激光二極管桿陣列202提供具有一深寬比的光束，該深寬比有利于由微柱狀透鏡的一個或多個陣列的均化和有利于使用具有球形表面的透鏡成像光束線路，如下文將更詳細論述。

圖4A和圖4B表示經由示例性照明光學器件400傳播的輸出光束的慢軸視圖和快軸視圖。當輸出光束到達微透鏡陣列均化器206時，照明光學器件400以正確的慢軸發散和數值孔徑(numerical aperture；NA)準直且聚光來自激光二極管桿陣列202的輸出光束。照明光學器件400還幫助消除均化器照明對激光二極管電流的依賴且提供微透鏡陣列均化器206的恒定角度慢軸照明。在一個實施例中，照明光學器件400可包括偏振分光鏡402(在附圖中識別為“L1”)、高溫計二向分光鏡404(識別為“L6”)、波片406(識別為“L7”)、慢軸透鏡集合408(識別為“L2”和“L5”)和快軸透鏡集合410(識別為“L3”和“L4”)。偏振分光鏡402可設置在激光二極管桿陣列202的下游且構造為產生具有正交偏振方向的一個組分或兩個組分。偏振分光鏡402構造為確保自激光二極管桿陣列202的輸出光束到達具有指定線性偏振的偏振分光鏡402且將非指定線性偏振的光自光學路徑重導引至束集堆(未圖示)，該具有指定線性偏振的偏振分光鏡402將沿著光學軸Z(光學路徑)透射輸出光束。在一個實例中，偏振分光鏡402放置在相對于慢軸約45度的角度處。可將波片406(諸如四分之一(λ/4)波片)設置在光束路徑中，諸如在偏振分光鏡402與微透鏡陣列均化器206之間的位置，以使得通過波片406的線性偏振光束變為圓偏振。在一個實例中，波片406設置在高溫計二向分光鏡404與微透鏡陣列均化器206之間。

在偏振光束通過慢軸透鏡集合408、快軸透鏡集合410、高溫計二向分光鏡404、波片406和光學系統200的剩余部分(即，如圖2所示的微透鏡陣列均化器206和傅里葉變換透鏡208)之后，某些光束可經由光學系統200自晶片22的表面向后反射。在此反向透射期間，光束與波片406的第二次碰撞使得光束再次變為線性偏振，但旋轉了90°。在光束與偏振分光鏡402第二次碰撞后，激光輻射經導引至束集堆，從而保護激光二極管桿陣列202免受潛在損害。

自加熱晶片22發出的具有950nm或更大的波長的熱輻射由高溫計二向分光鏡404重導引至高溫計(圖7)。將高溫計的輸出供應至控制器(未圖示)，該控制器將已檢測的光電流轉換為晶片溫度且將該晶片溫度與期望溫度比較，從而調整供應至激光二極管桿陣列202的功率(稍后將詳細論述)。

慢軸透鏡集合408可包括(按自對象(object)側A至圖像側B的順序)彼此間隔開的柱狀透鏡408a和柱狀透鏡408b，且有效焦距f約120mm。快軸透鏡集合410設置在柱狀透鏡408a與柱狀透鏡408b之間且可包括(按自對象側A至圖像側B的順序)間隔開的柱狀透鏡410a和柱狀透鏡410b，以便包括在快軸方向具有放大率1.1.8x的焦點望遠鏡或擴束器。在一個實施例中，柱狀透鏡408a具有面朝對象側A的凸透鏡表面420，而柱狀透鏡408b具有面朝圖像側B的凸透鏡表面422。柱狀透鏡410a具有面朝對象側A的凹透鏡表面426，而柱狀透鏡410b具有面朝圖像側B的凸透鏡表面428(圖4B)。下文在表1中提供根據本發明的一個實施例對于慢軸透鏡408(即，柱狀透鏡408a和柱狀透鏡408b)和快軸透鏡410(即，柱狀透鏡410a和柱狀透鏡410b)的詳細規定。

表1

激光二極管桿陣列202位于焦距f的慢軸透鏡集合408的前焦平面，而微透鏡陣列均化器206位于后焦平面。在操作中，慢軸透鏡408產生沿著慢軸具有恒定發散角的光束。將光束聚光且收斂至微透鏡陣列均化器206的輸入端，即，沿光學軸Z之方向的預均化透鏡陣列502，如圖4A所示。內部快軸透鏡410去除或減小自柱狀透鏡留在激光二極管上的任何殘留發散。將光束沿快軸方向擴展且準直至微透鏡陣列均化器206內，如圖4B所示(為清楚起見，已省略偏振分光鏡402、高溫計二向分光鏡404和波片406)。慢軸透鏡集合408和快軸透鏡集合410變換激光二極管桿陣列202的光束輸出，以便發散較大且在慢軸方向恒定(如下一段落論述)，同時使得沿著快軸方向的發散角Φ較小。沿快軸行進至微透鏡陣列均化器206內的較小發散角意味著在晶片22處更緊湊的線路聚焦。

照明光學器件400幫助輸送具有正確慢軸發散的激光束至微透鏡陣列均化器206，其中預均化透鏡陣列502具有約0.15的數值孔徑(NA)。為自微透鏡陣列均化器206獲得良好均勻性，重要的是入射慢軸發散不超過微透鏡陣列均化器206的數值孔徑(NA)。為了控制在微透鏡陣列均化器206處入射的慢軸發散(注意，來自激光二極管桿陣列202的SA發散是電流/功率輸出的函數)，二極管陣列發射平面是由具有約120mm的有效焦距f的一對柱狀透鏡408a、408b沿慢軸方向經光學傅里葉變換。因為光學傅里葉變換的性質(稍后將論述)，故在后焦平面的光角度是由在激光二極管桿陣列202處的光空間位置決定。當激光二極管桿陣列202的空間發射圖案是均勻的且獨立于二極管功率且幾何對稱時，微透鏡陣列均化器206上的發散入射將同樣為均勻的且獨立于二極管功率。另一方面，光束在微透鏡陣列均化器206處的慢軸空間范圍由自激光二極管桿陣列202的慢軸發散設定，且可取決于工藝方案而改變。照明光學器件400將快軸發散減小了約1.18x，這在某些實施例中為必需的，以確保在晶片22的像平面處的最終線路寬度符合具有0.135°的二極管陣列快軸發散的<80μm FWHM需求。應注意，若二極管陣列快軸發散符合<0.12°的目標，則可省略快軸透鏡410。

圖5A表示微透鏡陣列均化器500的慢軸視圖，諸如上文相對于圖2所論述的微透鏡陣列均化器206。微透鏡陣列均化器500大體使用微透鏡陣列以使激光束沿著慢軸均化，該微透鏡陣列諸如是預均化透鏡陣列502(在附圖中識別為“L8”)和最終均化透鏡陣列504(識別為“L10”)，該最終均化透鏡陣列504平行于預均化透鏡陣列502設置且與預均化透鏡陣列502間隔開透鏡的焦距。在預均化透鏡陣列502和最終均化透鏡陣列504是柱狀小透鏡陣列的情況中，可將預均化透鏡陣列502的柱狀小透鏡軸和最終均化透鏡陣列504的柱狀小透鏡軸沿著平行于激光二極管桿陣列202的快軸的軸而定向。微透鏡陣列均化器500可具有特定選取的數值孔徑(NA)，以允許全球面的傅里葉變換透鏡208。盡管圖示兩個微透鏡陣列(即，502、504)，但微透鏡陣列均化器500可包括更多微透鏡陣列以減少在晶片處的最終線路圖像中的斑點。

在操作中，來自光源的輸出光束(即，來自激光二極管桿陣列202的輸出光束)是由如上所述的照明光學器件204的柱狀透鏡聚焦且沿著慢軸進入具有有限收斂角的微透鏡陣列均化器500，但實質上沿著快軸準直。微透鏡陣列均化器500減少由在慢軸上間隔開的激光桿堆疊304(圖3)中的多個激光二極管引入的沿著慢軸的光束結構，且消除光源中可能的不均勻性。預均化透鏡陣列502和最終均化透鏡陣列504可以是柱狀透鏡或具有多個彎曲表面的透鏡。在圖5A圖示的一個實施例中，預均化透鏡陣列502和最終均化透鏡陣列504大體分別包括柱狀透鏡503、505的微光學小透鏡陣列。例如，圖5B圖示預均化透鏡陣列502的一部分小透鏡陣列的特寫慢軸視圖。如所示的小透鏡陣列包括兩個相鄰柱狀透鏡503a、503b和定位在柱狀透鏡503a與柱狀透鏡503b之間的過渡區域510。在過渡區域510中，表面輪廓近似柱狀凹透鏡，該過渡區域510平滑地連接至柱狀凸透鏡503a、503b。此過渡區域510的寬度影響線路圖像的末端處的線路長度和邊緣斜率。在一個實例中，過渡區域510具有約20μm至約60μm的長度，例如約40μm的長度，且柱狀透鏡503a、503b中的每一個具有約180μm至約300μm的長度，例如約250μm的長度。

當在入射到微透鏡陣列的光中存在充分的空間相干性時，該空間相干性可導致在最終線路圖像處的不期望的相干假影，額外透鏡(例如，弱柱狀透鏡506(在附圖中識別為“L9”))可放置在預均化透鏡陣列502與最終均化透鏡陣列504之間以幫助減輕這些相干不均勻性。弱柱狀透鏡506可具有約500mm的焦距。上文顯示，為滿足在隨后傅里葉變換透鏡208中使用球面光學器件的圖像線路長度需求，微透鏡陣列均化器206可要求在慢軸中具有約0.16的數值孔徑(NA)的微透鏡陣列(即，透鏡陣列502、504)。透鏡陣列的數值孔徑可如下所表示：

其中，“間距”是微透鏡陣列間隔(例如，自柱狀透鏡503a的中心至相鄰柱狀透鏡503b的中心)，“填充因子”是小透鏡寬度與間距的比值，“f”是小透鏡的焦距，“r”是小透鏡前表面和小透鏡后表面的曲率半徑，且“n”是陣列材料在設計波長處的折射率。在小透鏡陣列使用熔硅石的情況中，折射率n在λ為約808nm時為約1.453。小透鏡陣列的填充因子主要由制造方法決定。在一個實施例中，其中使用在預均化透鏡陣列502和最終均化透鏡陣列504中的小透鏡陣列是LIMO透鏡陣列(可購自德國多特蒙德(Dortmund)的LIMOGmbH)，填充因子已經測量為大于>90％。下表2提供根據本發明的一個實施例對于使用在微透鏡陣列均化器500中的預均化透鏡陣列502和最終均化透鏡陣列504的光學規定。1號微透鏡陣列表示預均化透鏡陣列502，該預均化透鏡陣列502用以減輕圖像線路中的相干不均勻性。預均化透鏡陣列502具有約275μm的間距和約0.155的NA，所述值稍微低于2號微透鏡陣列，2號微透鏡陣列表示最終均化透鏡陣列504，該最終均化透鏡陣列504具有與陣列1號相同的光學規定，不同之處在于間距較大為約290μm，此較大間距導致約0.164的較大NA。在實驗上已觀察到，當由以下入射光照射時，微透鏡陣列均化器500工作最佳：該入射光具有接近但不超過微透鏡陣列均化器206的小透鏡陣列NA的慢軸NA。詳言之，起因于激光二極管桿陣列202的空間相干性的干擾效應(interference effects)通過使入射光NA接近小透鏡陣列NA而減輕。因此，在預均化透鏡陣列502與最終均化透鏡陣列504之間的間距差可有利于減少在兩個透鏡陣列502、504之間的頻率干擾，若所述兩個透鏡陣列502、504具有相同間距，則將發生頻率干擾。

已選取光學參數來提供足夠小間距，使得足夠數目的小透鏡(即，柱狀透鏡503、505的微光學小透鏡陣列)由激光二極管桿陣列202和照明光學器件204照射。在一個實例中，在預均化透鏡陣列502和最終均化透鏡陣列504的每一個中可能有近似50個柱狀透鏡503、505覆蓋微透鏡陣列均化器206中的約15mm光束寬度。

表2

^*在基板機械邊緣與透鏡陣列軸之間的最大角度

圖6A表示經由示例性聚光透鏡集合600傳播的激光束的慢軸視圖，示例性聚光透鏡集合600諸如是上文相對于圖2論述的傅里葉變換透鏡208。聚光透鏡集合600可以是任何適當的傅里葉變換透鏡，或如下文相對于圖6A所述的具有特定透鏡布置的聚光透鏡集合600。傅里葉變換透鏡被設計為聚焦線路圖像在晶片22處且具有與由最終微透鏡陣列產生的輻射強度分布相匹配的特定光學畸變。透鏡設計是有目的地散光的，此情形允許較少單獨透鏡元件的更簡單設計且仍允許具有線路圖像的成像質量而不負面地影響線路均勻性。在一個實施例中，聚光透鏡集合600一般包括透鏡陣列，該透鏡陣列自對象側A至圖像側B按順序包括五個單獨透鏡，例如，沿著光學軸Z布置且具有全球形表面的第一透鏡602、第二透鏡604、第三透鏡606、第四透鏡608和第五透鏡610(在附圖中分別識別為“L11”、“L12”、“L13”、“L14”和“L15”)。與使用柱狀光學器件及球形表面光學器件兩者的變像設計相比，具有全球面透鏡的聚光透鏡集合600允許更經濟的制造且更容易對準。下文表3提供根據本發明的一個實施例對于每一單獨透鏡602、604、606、608和610的詳細規定。

表3

圖6A還可包括可更換輸出窗口612(在附圖中識別為W1)和腔室窗口614(在附圖中識別為W2)。可更換輸出窗口612保護光學系統200的內部。準直激光束可經由腔室窗口614進入腔室。在熱處理應用中，腔室窗口614可大于正進行處理的晶片22。這是因為對晶片的全部區域可能需要光存取作為處理的部分。應注意，本發明不局限于此特定數目的透鏡且替代實施例可包括不同數目的透鏡。透鏡中的每一個的特定光學特性和所述透鏡組合的方式可限定提供于晶片22的表面上的覆蓋圖像的形狀。

聚光透鏡集合600(諸如傅里葉變換透鏡208)在晶片22處形成最終線路圖像(圖2)。因為圖像形成在透鏡的后焦平面，故稱為傅里葉變換透鏡。因此，透鏡在無限共軛處操作，以給定入射角將輸入光束映射至晶片22的圖像平面內的位置。透鏡的廣義畸變函數g(θ)決定入射角θ至圖像位置y的映射，定義為y＝f g(θ)。在最終均化透鏡陣列504之后立即產生的歸一化輻射強度I(θ)是每弧度光學功率的測量，即，I(θ)dθ是含在光束角度θ與光束角度θ+dθ之間的功率(為方便起見，假定I(0)＝1)。由于為適度高NA微透鏡陣列所固有的像差，函數I(θ)不是top hat(帽形函數)(見圖6B的(a))，而是由二次方程式(見圖6B的(b))I(θ)＝1+c₂θ²更好表示。限定在晶片22的圖像平面處的歸一化輻照度函數H(y)以使得H(y)dy是在區域y至y+dy內的功率。對于高度均勻輻照度，H(y)為恒定，為方便起見將該H(y)取為一，且畸變映射y＝g(θ)是導致H(y)＝1的映射。由于對于均勻top-hat輻照度，H(y)＝1，故通過能量守恒，人們按照映射g(θ)可獲得下列結果，該映射g(θ)將角度θ轉換成為位置y：I(θ)dθ＝H(y)dy或

當由最終均化透鏡陣列504產生的歸一化輻射強度可由二次方程式I(θ)＝1+c₂θ²表示時，獲得方程式由此，容易獲得最終結果用于期望廣義畸變映射此為廣義畸變映射，該廣義畸變映射將導致在晶片22的圖像平面中的平坦頂部輻照度H(y)。唯一參數是輻射強度二次方程式系數c₂。光學設計中的畸變按照慣例是相對于tan(θ)指定，因為tan(θ)是將x-y對象平面映射成為晶片22的x'-y'圖像平面而在有限對象/圖像距離處無畸變的映射。由于tan(θ)為約θ+θ³/3+...，故人們可按此慣例對具有“零”畸變的透鏡假定c₂＝1。更具體而言，通過在常見光學設計軟件中使用的定義，以上文限定的廣義映射g(θ)為特征的透鏡的畸變可限定為因此，一旦c₂為已知，則人們可指定在聚光透鏡集合600的每一單獨透鏡中需要的畸變。在聚光透鏡集合600是傅里葉變換透鏡且二次曲線擬合至輻射強度導致c₂＝-1.35的一個實例中，期望傅里葉變換透鏡畸變(偏離tan(θ)畸變)在1.66弧度或9.5°的視場角處為-2.14％。用來設計傅里葉變換透鏡的評價函數(merit function)是被限定為以最小化快軸方向的像點大小。在各種實施例中，聚光透鏡集合600構造為提供：(1)約38mm的有效焦距，該有效焦距是由快軸發散設定以滿足如上所述的80mmFWHM線路寬度；(2)±9.5°的輸入視場角(慢軸)，所述輸入視場角是由微透鏡陣列均化器206的NA(約0.164)設定；(3)約20.5mm的后焦距(即，腔室窗口614至晶片22處的圖像)；和(4)在最大視場角9.5°處約-2.14％的畸變(相對于tan(θ))。根據本發明之一的聚光透鏡集合600的進一步規定可在上表3和下表4中得到。

表4

盡管聚光透鏡集合600可構造為最小化快軸方向中的像點大小，但全球面透鏡的使用可允許透鏡顯示出散光。慢軸方向中的像點成長導致在線路端部處無意義的線路延長和軟化。然而，已顯示，此透鏡設計不損害快軸方向中的線路寬度，而是允許較少單獨透鏡元件的更簡單設計，且允許具有線路圖像的成像質量而不會負面地影響線路均勻性。可設想在聚光透鏡集合600中使用的透鏡的數目不局限于如所述的五個球面元件。本領域技術人員可使用上文方程式根據需要添加或移除透鏡以最佳化在聚光透鏡集合600的每一單獨透鏡中需要的畸變。

圖7表示根據本發明的一個實施例的光學系統700的透鏡布置的慢軸視圖，該光學系統700包括如上所述的激光二極管桿陣列202、照明光學器件(402、408a-b、410a-b、404和406)、微透鏡陣列均化器(502、504和506)和聚光透鏡集合(602、604、606、608、610、612和614)和高溫計收集光學器件(702、704、706和708)。在圖7中，將自一或更多電磁源(即，激光二極管桿陣列202)至晶片22的表面的光學軸表示為Z軸。此附圖中的光學系統700的慢軸(“SA”)被識別，且如所示快軸(“FA”)與頁面正交。如上文相對于圖4A簡要論述，為調節或控制晶片溫度，晶片22的已照射部分的溫度是由高溫計收集光學器件恒定監測。用來準直和聚焦激光源光束于晶片22上的相同光學器件用以沿反方向將自加熱晶片22發出的熱輻射導引至高溫計702。熱輻射可經由聚光透鏡集合(602、604、606、608、610、612和614)、微透鏡陣列均化器(502、504和506)反向傳播至具有涂層(例如，SiO₂和/或Ta₂O₅)的高溫計二向分光鏡404，該涂層同時具有在高溫測定波長(例如，940nm和1550nm)處的高反射率和在主要激光波長808nm處的高透射率。在熱輻射第二次碰撞高溫計二向分光鏡404后，自加熱晶片22發出的具有940±5nm或1550±5nm的波長的熱輻射由高溫計二向分光鏡404重導引至光學濾波器704，光學濾波器704阻塞激光輻射的(例如)808nm波長。具有高溫測定波長的激光輻射由可選棱鏡706反射至透鏡708，該透鏡708聚焦激光輻射于高溫計702的面上。將高溫計的輸出供應至控制器(未圖示)，該控制器將已檢測的光電流轉換至晶片溫度且將該晶片溫度與期望溫度比較，從而調整供應至激光二極管桿陣列202的功率。

雖然前文涉及本發明的實施例，但可設計本發明的其它和進一步實施例而不脫離本發明的基本范圍，且由隨附的權利要求書決定本發明的范圍。