Brevet FR2465241A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un dispositif illuminateur destiné à fournir un faisceau d'éclairement quasi cohérent ayant une distribution spatiale d'intensité ajustable à volonté. Un faisceau laser présente généralement une distribution d'intensité gaussienne à symétrie circulaire suivant la section due au fait que seul le mode fondamental résonne dans la cavité. Dans un dispositif illuminateur destiné à l'éclairement d'un objet, par exemple dans un système de projection de motifs, le faisceau issu du laser est élargi et rendu divergent. Il conserve sa distribution gaussienne, si bien que le centre de l'objet est éclairé plus intensément que les bords. Or, pour obtenir une bonne qualité d'image et également des largeurs de traits identi- ques dans tout le champ de1l'objectif de projection, notamment lorsque les motifs sont projetés sur une résine photosensible, il faut une bonne uniformité d'éclairement dans le plan image. Ainsi, dans le cas de la réalisation de circuits intégrés par photorépé- tition directe, qui passe par la formation d'une superposition de niveaux dans un substrat semi-conducteur, avec masquages successifs, les traits les plus fins ont une largeur de l'ordre du micron. La dispersion de largeur de trait doit être inférieur à 10%, ce qui implique des variations d'intensité d'éclairement inférieures à 3%. Différentes méthodes ont été proposées pour rendre un éclai- rement uniforme: la méthode la plus simple consiste à élargir suffisamment le faisceau pour n'utiliser que les rayons du centre. Cette méthode, pour être efficace, a un rendement énergétique de l'ordre de 1%, ce qui supprime une grande partie de l'intérêt de l'utilisation d'un laser. D'autres méthodes faisant appel généra- lement à la dispersion oil à l'absorption du faisceau ont également un très faible-rendement lumineux. Certaines méthodes ne présentent toutefois pas cet inconvénient. On peut utiliser un hologramme numérique tracé par ordinateur et approximant par une fonction binaire la transformation complexe donnant une répartition spatia- le uniforme à partir d'une répartition gaussienne. Cette méthode est complexe et coûteuse à mettre en oeuvre. On peut aussi tenir compte du fait que la répartition gaussienne est due au fait que le laser est monomode, et utiliser pour le laser des miroirs de rayon de courbure plus élevé, ce qui permet à d'autres modes de résonner. On obtient une répartition d'intensité avec un ma- ximum moins accusé, mais on ne peut pas uniformiser suffisamment l'éclairement par ce moyen. La présente invention permet d'obtenir un éclairement uniforme à moins de 5% près, sans perte d'énergie, et avec des éléments optiques simples. De plus, le dispositif selon l'invention permet d'ajuster la distribution d'intensité, dans certaines limites, pour obtenir des éclairements non uniformes, mais corres- pondant au meilleur éclairement du plan image, en fonction des défauts du système optique de projection. Selon l'invention, le dispositif illuminateur comprend des moyens permettant la séparation du faisceau initial en quatre parties, selon deux directions radiales perpendiculaires entre elles, des moyens permettant la recombinaison des quatre parties aboutissant dans un plan prédéterminé (P) à une superposition partielle des quatre faisceaux et des moyens permettant de moyenner les interférences entre les quatre parties de façon que l'inten- sité moyenne-dans le plan P soit égale à la somme des intensités moyennes des quatre parties. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'aide de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure l montre la répartition d'intensité d'un faisceau laser; - la figure 2 représente schématiquement un dispositif illuminateur; - la figure 3 représente schématiquement un dispositif de projection de motifs; - la figure 4 illustre les répartitions d'intensité dans les plans objet et image; - la figure 5 illustre schématiquement la méthode utilisée selon l'invention; - la figure 6 représente un mode de réalisation de l'inven- tion - les figures 7 et 8 sont des vues partielles détaillées - la-figure 9 représente une variante de réalisation-de- l'invention; - la figure 10 montre le résultat obtenu par Se dispositif de la figure 6 ou de la figure 9; - la figure Il représente une application de l'invention. La figure 1 montre la répartition d!intensité d'un faisceau laser monomode. Un tel faisceau se caractérisé essentiellement par sa très faible divergence (de l'ordre du milliradian) et une répartition d'intensité gaussienne suivant, la section du faisceau. Ainsi, les rayons proches du centre du fàisceau sont intenses, l'intensité sur l'axe central ayant une valeur Io1 tandis que les rayons des bords du faisceau sont de faible intensité. Les bords du faisceau peuvent être définis par leur distance radiale W, visible sur-la figure la que l'on appelera rayon du faisceau I0 telle que l'intensité soit égale à -ô. La figure lb montre que e la distribution est à symétrie circulaire suivant la section du faisceau, constituée par le plan (x, y). Un faisceau laser peut être utilisé dans un dispositif illuminateur tel que celui, représenté à titre d'exemple sur la figure 2. Le faisceau F délivré par le laser 1 et ayant la distribution d'intensité représentée sur la figure 1, est élargi par un expandeur formé de lentilles L1 et L2. Il est.rendu divergent par une lentille L3 et condensé par un condenseur 3 de façon à éclairer un objet 4. La distribution d'intensité dans le plan de l'objet reste gaussienne, si bien que les bords de l'objet sont moins éclairés que le centre. Or, suivant les applications, on désire obtenir une répartition d'intensité prédéterminée, adaptée à l'application. L'une des applications possibles est représentée sur la figure 3. Il s'agit d'un dispositif de projection comprenant notamment un objectif 9 formant l'image de l'objet 4 dans un plan 12. Pour obtenir une bonne qualité d'image dans tout le champ de l'objectif, il faut une bonne uniformité d'éclairement du plan image. La figure 4 montre, dans deux cas, les répartitions d'in- tensité obtenues dans le plan image. Dans le premier cas, la répartition dans le plan objet, représentée en figure 4a, est uniforme. On constate alors généralement que lréclairement dans le plan image réprésenté en figure 4b, est non uniforme, plus intense au centre et diminuant progressivement vers le bord du champ de l'objectif. Ceci est du aux pertes lumineuses dans les différentes lentilles qui forment l'objectif 9 et qui sont en général plus grandes sur les bords qu'al centre, à cause de la forme sphérique des lentilles. En conséquence, pour avoir dans le plan image un éclairement uniforme, tel que représenté en figure 4d, il faut que l'éclairement dans le plan objet soit tel que représenté en figure 4c, moins intense au centre que sur les bords. Typiquement, l'écart maximum I2 entre l'intensité au bord et au centre, doit être de 5% à 10%. La figure 5 illustre schématiquement la méthode utilisée selon l'invention pour obtenir un éclairement du type de celui de la figure 4c. On verra par la suite que l'invention permet en outre d'obtenir d'autres formes d'éclairement voisines de l'éclairement uniforme. Le faisceau d'origine F a dans toute direction radiale telle que x, une distribution d'intensité gaussienne représentée en figure 5a. L'invention prévoit de séparer ce faisceau en deux demi-faisceaux selon un plan axial perpendiculaire à l'axe x, puis de décaler les deux faisceaux obtenus d'une même quantité a, en sens inverse. Les deux demi-faisceaux se superposent, comme représenté en figure 5b, et on obtient un faisceau résultant dont la répartition d'intensité est représentée en figure 3c, à condition que les deux demi-faisceaux s'ajoutent en intensité, et non en phase et en amplitude, ce qui peut être obtenu par exemple, en faisant tourner la polarisation de l'un des demi- faisceaux de 900. On constate que l'on aboutit à une répartition quasiuniforme suivant la direction x. Les calculs montrent que, pour a = 0,555 W,. l'écart maximum d'intensité est de 3%. Par contre, la répartition reste gaussienne suivant l'axe radial y perpendiculaire à x. Il est possible d'effectuer la même sépara- tion-recombinaison suivant l'axe y, avec la même valeur pour le décalage. En supposant que l'on a fait en sorte que, dans la direc- tion y également, les faisceaux s'ajoutent en intensité (la suite de la description montrera comment cela est possible),on montre que la forme du faisceau approche un carré, de qui est souvent avantageux car les champs d'éclairement utiles des objets sont souvent carrés, d'o un gain en rendement lumineux. D'autre part, la répartition d'intensité est bien définie: plus faible au centre, elle augmente progressivement de Io à 103% Io vers le bord suivant les axes x et y et de Io à 106% I0 vers le bord suivant les diagonales. Un tel faisceau fournit donc un éclairement proche de l'éclairement idéal, représenté sur la figure 4c. La figure 6 représente un montage optique assurant la séparationrecombinaison d'un faisceau laser selon deux directions orthogonales, pour la réalisation de l'invention. Le faisceau laser F délivré par le laser 1 est élargi par un expandeur 2. La séparation suivant un axe x est assurée par un biprisme de Fresnel convenablement orienté et centré par rapport au faisceau F. Le faisceau F est ainsi séparé en deux demi-faisceaux F1 et F2. Pour alléger la figure, on a représenté seulement les rayons résultant du rayon central du faisceau F, qui forme l'axe optique z du système. Les faisceaux F1 et F2 sont réfléchis respectivement par deux miroirs Mxl et Mx2, de façon à les rendre quasi-parallèles à l'axe z. Ils traversent alors un deuxième bibrisme de Fresnel 6, orienté de façon orthogonale au biprisme 5 et qui assure la séparation de chaque faisceau F1 et F2 suivant l'axe y perpendi- culaire à x, formant respectivement les faisceaux F1 et F Fis 12 F21 et F22. Les faisceaux Fi. et F21 son t réfléchis par un miroir My et les faisceaux F1 et F2 sont réfléchis par un miroir My21 de façon à les rendre à nouveau quasi-parallèles à l'axe z. Les miroirs My1 et My2 sont placés de façon que les points d'impact respectifs A, B, C, D des faisceaux F12, F1l, F21, F22 soient vus sous une même inclinaison a par rapport à l'axe z, dans le plan de recombinaison P des faisceaux. C'est dans ce plan que pourra être placée la première lentille L1 du dispositif d'éclai- rement de la figure 2. Pour conserver les propriétés collimatrices d'ensemble des deux lentilles L.) L2 de la figure 2, il faut que l'angle a soit très faible. Le fonctionnement du premier séparateur constitué par le biprisme 5 et les miroirs M.1 et MX2 peut être expliqué à partir de la vue détaillée de la figure 7. Les faisceaux obtenus F1 et F2, ont respectivement, selon des axes x1 et x2 perpendiculaires à leur direction de propagation, des répartitions d'intensité en forme de demi-gaussienne, telles qu'illustrée sur la figure 5. La figure 8 montre le trajet des faisceaux F1,, F12, F21, F22 à la sortie du deuxième séparateur, constitué pour le bipriAme 6 et les miroirs My. et My2* Les 4 points A, B, C, D forment un carré de côté 2b dans un plan x,y perpendiculaire à l'axe z centré sur l'axe z. Les rayons des faisceaux FIl, F21, F12, F22 issus du rayon central du faisceau initial F forment le même angle a avec l'axe z. Ces quatre faisceaux forment dans le plan P un système d'interférencescar les 4 sources sont cohérentes entre elles à cause de la cohérence du laser. Comme les quatre faisceaux ne sont pas parallèles à l'axe optique, on observe des franges orthogonales selon les axes xp et y. du plan P, formant une grille régulière. En agissant sur la polarisation des faisceaux, on peut faire en sorte que l'un des deux systèmes de franges soit supprimé. Par exemple, si l'on interpose une lame demi-onde L sur le trajet du faisceau F2, le faisceau F étant déjà polarisé li- néairement, on peut faire en sorte que les faisceaux F22 et F21 d'une part et Fil et F12 d'autre part soient polarisés respecti- vement selon des directionsP 2 et P1 perpendiculaires entre elles, et donc n'interférent plus. Toutefois, ces faisceaux interfèrent entre eux et forment deux systèmes de franges de même direction, indépendantset qui se superposent. Pour supprimer ces deux systè- mes, il faut connaitre les lois de répartition de phase des quatre faisceaux, d'après les lois de phase de différents éléments opti- ques traversés: la lame demi-onde et les deux biprismes, la réflexion sur les miroirs ne modifiant pas les répartitions de phase, et également, la modification observée dans le plan P due à l'inclinaison a des faisceaux, qui dépend de la valeur de l'angle a, de b et de la distance h entre le plan P et le carré ABCD. On peut alors calculer les déphasages respectifs des quatre fais- ceaux. Si l'on introduit sur le trajet de l'un des faisceaux F et F12 un premier cristal électro-optique K1 polarisé par un champ électrique parallèle à la direction de polarisation commune à ces deux faisceaux et dont la valeur varie dans le temps, on peut introduire un déphasage supplémentaire 4 variable dans le temps et on peut faire en sorte que la valeur moyenne de cos 4 sur une durée T faible devant la durée prévue pour qie l'illumination soit nulle. Le calcul montre alors que la valeur moyenne de l'intensité résultante est égale à la somme des intensités de chacun des deux faisceaux. De même, on peut introduire sur le trajet de l'un des deux faisceaux F21 et F22 un deuxième cristal électro-optique K2 polarisé par un champ électrique parallèle à la direction de polarisation commune à ces deux faisceaux et dont la valeur varie dans le temps, on peut faire le même raisonnement et montrer que quand on considère la valeur moyenne, les deux faisceaux F21 et F22 s'ajoutent en intensité et non en amplitude et phase. Comme les faisceaux F1 et F12 d'une part, F21 et F22 d'autre part s'ajoutent en intensité, du fait de leurs polarisations perpendiculaires, on a obtenu, non pas exactement une suppression des interférences, mais un moyennage dans le temps, sur une durée suffisamment faible par rapport à la durée d'éclairement ou d'observation pour que l'éclairement puisse être considéré comme homogène, par exemple quant à ses effets sur l'impression d'une résine photosensible. La lame demi-onde L et les cristaux électro-optiques K1 et K2 sont représentés sur la figure 6, ainsi que les directions de polarisation des faisceaux, symbolisées par des flèches. Le faisceau F est polarisé parallèlement à l'axe y. La lame demi-onde L est placée sur le trajet du faisceau L dans un plan xy. Ses lignes neutres sont orientées à 450 des axes x, y, si bien que, à la sortie de la lame, la polarisation du faisceau F2 est parallèle à l'axe x. Le cristal K1 est placé sur le trajet du faisceau F12 et il est commandé par un champ E parallèle à la polarisation de ce faisceau, donc à l'axe y. Il génère un déphasage 41, qui peut être par exemple égal à 2 cos -w- Le cristal K2 est placé sur le 2 2 trajet du faisceau F22 et il est commandé par un champ E2 parallèle à la polarisation de ce faisceau, donc à l'axe x. Il génère un déphasage,2, qui peut être de la forme q2 =-2 cos2nt + q>0 o a une valeur fixe quelconque. On obtient le même résultat de moyennage des interférences en intervertissant les deux moyens utilisés: lame demi-onde et déphaseurs. La figure 9 représente le même montage optique de séparation-recombinaison du faisceau, seuls les moyens permet- tant de moyenner les interférences étant différents. Le faisceau F étant toujours polarisé selon l'axe y, on introduit sur le trajet du faisceau F2 un déphaseur constitué par un cristal électro-optique K polarisé par un champ électrique f parallèle à y, introduisant un déphasage q entre les faisceaux F1 et F2 de la forme d =2 cos2w Les directions de polarisation des deux 2 T faisceaux restent inchangées. 8 2465241 Une lame demi-onde L1 est introduite sur le trajet du faisceau F12 et une lame demi-onde L2 est introduite sur le trajet du faisceau F22, de façon que les polarisations de ces deux faisceaux deviennent parallèles à l'axe x. Ainsi, dans le plan P, les deux systèmes de franges sont supprimés. Cette méthode est moins onéreuse que la précédente car elle n'utilise qu'un déphaseur électro-optique au lieu de deux. - Une autre méthode possible pour supprimer l'effet dû aux interférences consiste à placer sur-le trajet des faisceaux, un élément diffuseur tournant, qui génère des déphasages variables dans le temps, spatialement aléatoire. Cette méthode sera avanta- geusement utilisée si, au lieu de réaliser séparément les deux séparateurs avec, pour chaque séparateur, un biprisme et deux miroirs, on réalise la séparation-recombinaison simultanément pour 151es deux directions x et y, au moyen d'un prisme à symétrie circu- laire, ayant une forme conique et d'un miroir tronc-conique. Dans le cas o le faisceau laser n'est pas polarisé liné- airement, l'utilisation d'une lame biréfringente n'est plus possible à moins d'interposer un polariseur sur le trajet du faisceau, ce 2nqui occasionne une perte d'énergie de 50%. On peut placer sur le trajet des quatre faisceaux quatre déphaseurs électro-optiques créant des déphasages respectifs, par exemple de la forme: $1:= 2cos Et, 42 =- cos-2 wt, * cos 5 oet, f= c2 os 3 t, $4: 2-cos 4 -, 2w ou T - est faible devant la durée d'éclairement. Quels que soient les moyens utilisés d'une part pour assurer la séparation-recombinaison de quatre faisceaux, d'autre part pour supprimer l'effet des interférences entre les quatre faisceaux, la séparation et la recombinaison sont illustrées sur les- figures lOa et lOb. La section du faisceau F est représentée sur la figure lOa. Le dispositif selon l'invention décompose ce faisceau en quatre secteurs, puis réalise des translations de type (+a, +a). Ainsi, le faisceau Fl, hachuré sur la figure est translaté selon le vecteur T (+a, +a). Dans le plan P, représenté sur la figure lob, les quatre faisceaux superposés s'inscrivent dans un carré de côté 2a centrés sur l'axe z. La valeur de a est déterminée par la distance h. Si le plan P passe par le point de rencontre 0 des quatre rayons issus du rayon central du faisceau F, il n'y a aucune superposition, a = 0: le faisceau F se reconstitue. Plus la distance h augmente, plus la superposition est importante. Il a été dit précédemment que, lorsque a est de l'ordre de 0, 5 W, on obtient une répartition d'intensité sensiblement uniforme. Pour des valeurs de a inférieures, la répartition d'intensité est en forme de "selle de cheval", c'est à dire que le faisceau est intense sur les bords et au centre, et moins intense sur des lieux intermédiaires. Pour des valeurs de a supérieurs, la répartition est en forme de cuvette plus intense sur les bords qu'au centre. Un dispositif illuminateur comprenant des moyens d'unifor- misation du faisceau est applicable notamment à un photorépéteur. La figure 11 représente un photorépéteur du type de ceux décrits dans les demandes-de brevet précédemment déposées par la demande- resse No 76.37.327 et No 79.10.209. Derrière le laser 1, par exemple un laser Krypton de puissance 1,5W sont-disposés l'expan- deur de faisceau 2, un premier miroir de renvoi R et les moyens i d'uniformisation, constitués par un prisme conique 6, un élément T en forme de tronçon de cone à parois réfléchissantes et un diffu- seur tournant D. Le faisceau ayant ainsi la distribution d'inten- sité désirée est renvoyé par un deuxième miroir R2 vers un obtu- rateur 14 commandé de façon à ce que la quantité d'énergie reçue par la couche de résine photosensible destinée à être impressionnée corresponde à la meilleure insolation possible. Les moyens de commande décrit dans la première demande citée, sont principale- ment constitués par un intégrateur 15, un sélecteur de quantité d'énergie 17 et un dispositif comparateur 16 déclenchant l'ouver- ture et la fermeture de l'obturateur 14. Sont disposés ensuite sur le trajet du faisceau des moyens 200 destinés à produire une source quasiponctuelle de dimensions telles qu'il ne se produise pas de figures d'interférences gênantes. De tels moyens ont été décrits par exemple dans la deuxième demande de brevet citée ci-dessus. Le faisceau divergent 100 issu des moyens 200 éclaire l'objet 3 porté par un porte-objet 8 et dont l'image est formée par l'objectif 9 porté par un objectif 10 muni de moyens de focalisation automatique Il sur le substrat 12 - 2465241 recouvert d'une résine photosensible et porté par une table mobile 13. L'éclairement obtenu grâce au prisme conique C et au miroir tronc-conique T permet, comme il a été montré plus haut, d'obtenir -à une bonne qualité d'image au niveau de la résine photosensible. 1i REVENDICATIONS 1. Dispositif illuminateur destiné à fournir un faisceau d'éclairement cohérent ayant une distribution spatiale d'inten- sité aiustable, à partir d'une source fournissant un faisceau initial ayant une distribution d'intensité gaussienne, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant la séparation du fais- ceau initial en quatre parties, selon deux directions radiales perpendiculaires entre elles, des moyens permettant la recombinai- son des quatre parties aboutissant dans un plan prédéterminé (P) à une superposition partielle des quatre faisceaux et des moyens permettant de moyenner les interférences entre les quatre parties de façon que l'intensité moyenne dans le plan P soit égale à la somme des intensités moyennes des quatre parties. 2. Dispositif illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent un premier bi.prisme centré sur le trajet du faisceau initial et le séparant selon une direction x en deux demi-faisceaux (F1 et F2) symétri- ques par rapport à l'axe du faisceau initial, et un deuxième biprisme centré sur le trajet des deux demi-faisceaux et les séparant respectivement selon une direction y.,perpendiculaire à x en une première et une seconde parties (F1l et F12) symétriques par rapport au demifaisceau F1 et en unetroisième et une quatrième parties (F21 et F22) symétriques par rapport au demi-faisceau F2. 3. Dispositif illuminateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de recombinaison comprennent un premier et un deuxième miroirs réfléchissant respectivement les deux demi-faisceaux en deux directions symétriques par rapport à l'axe et convergeant vers le deuxième biprisme, et un troisième et un quatrième miroir réfléchissant respectivement les deux parties (F1l et F21) et les deux parties (F12 et F22) en quatre directions symétriques par rapport à l'axe et convergeant vers le-plan P. 4. Dispositif illuminateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que,le faisceau initial étant polarisé linéaire- ment, les moyens de moyennage comprennent au moins une lame biréfringente située sur le trajet de l'un des demi-faisceaux (F1 et F2) de façon que ces deux demi-faisceaux aient des directions de polarisation perpendiculaires entre elles, et au moins deux 12 2465241 éléments déphaseurs électro-optiques situés respectivement sur les trajets d'une des parties (F1l et F12) et d'une des parties (F21 et F22) et introduisant entre les parties F1l et F12 d'une part et entre les parties F21 et F22 d'autre part des déphasages prédé- terminés variable dans le temps, dont les valeurs moyennes, sur des durées faibles par rapport à la durée d'éclairement, sont nulles. 5. Dispositif illuminateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, le faisceau initial étant polarisé linéai- rement, les moyens de moyennage comprennent au moins un élément RiO déphaseur électro-optique situé sur le trajet d'un des deux demi- faisceaux (F1 et F2) introduisant entre eux un déphasage prédé- terminé variable dans le temps ét dont la valeur moyenne est nulle sur une durée faible par rapport à la durée d'éclairement, et au moins deux lames biréfringentes situées respectivement sur le trajet d'une des parties (F l et F 12) et d'une des parties (F21 et F22) et y créant des rotations de-polarisation de 90 . 6. Dispositif illuminateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de séparation comprennent un prisme à symétrie circulaire, en forme de cône dont l'axe est confondu avec l'axe du faisceau initial. 7. Dispositif illuminateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de recombinaison comprennent un miroir concave tronconique, dont l'axe est confondu avec l'axe du faisceau initial. 8. Dispositif illuminateur selon l'une quelconque des revendications 1, 6 et 7, caractérisé en ce que les moyens de moyennage comprennent un diffuseur tournant placé sur le trajet des quatre parties. 9. Système de transfert de motifs permettant de reproduire l'image d'un objet à transparence non uniforme sur un substrat recouvert d'une couche photosensible, ce système comprenant un dispositif illuminateur fournissant un faisceau d'éclairement de l'objet, et un objectif formant l'image de l'objet sur le substrat, le système étant caractérisé en ce que le dispositif illuminateur est selon l'une quelconque des revendications précédentes.