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Die
Erfindung betrifft ein Zoomsystem, insbesondere ein Zoomsystem für eine Beleuchtungseinrichtung
eines Mikrolithographie-Projektionsbelichtungssystems.
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Der
Zweck der Beleuchtungseinrichtungen, welche bei Mikrolithographie-Projektionsbelichtungssystemen
eingesetzt werden, ist gleichmäßige Beleuchtung
eines Retikels, welches in der Objektebene einer Projektionslinse
angeordnet ist, die dem Retikel im optischen Pfad auf eine Weise
folgt, welche genau angepaßt wurde,
um den optischen Eigenschaften der Projektionslinsen zu entsprechen.
Die Beleuchtung sollte telezentrisch sein, so daß die gerichteten Foki aller
Punkte in der Ebene des Retikels zentriert auf die Eintrittspupille der
Projektionslinse so genau wie möglich
sind. Es kann auch anstrebenswert sein, eine teilweise kohärente Beleuchtung
vorzusehen, für
welche das Ausmaß,
in welchem jene Eintrittspupille gefüllt ist, veränderlich
und einstellbar ist. Zoomsysteme können zum Verändern des
Grades an Kohärenz
der Beleuchtung verwendet werden. Um das Erreichen einer engen Annäherung an
die Grenzen der Auflösung
der optischen Projektion während
des photolithographischen Mikrostrukturierungsvorgangs zu erlauben,
wird die Beleuchtung häufig optimiert,
um sie der Strukturierung auf den einzelnen Layouts durch Erzeugen
verschiedener Beleuchtungsarten, zum Beispiel ringförmige Beleuchtung
oder Vierpolbeleuchtung, anzupassen. Vorrichtungen wie konische
oder pyramidenförmige
Axicone können
in die Zoomsysteme zu diesem Zweck eingebaut werden, da es einen
Bedarf für
hohe Beleuchtungseffizienz gibt, um das Ausnützen der Lichtausgaben der
Lichtquellen zu erlauben, die zum Herstellen von Mikrovorrichtungen
mit den geringstmöglichen
Lichtverlusten eingesetzt werden.
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Beleuchtungsvorrichtungen,
welche jenen Bedarf gut abdecken, sind zum Beispiel in der europäischen Patentschrift
EP 0 747 772 , der deutschen
Patentschrift
DE 44 21 053 und
der europäischen
Patentschrift
EP 0 687 956 offenbart.
Im Falle des Beleuchtungssystems der europäischen Patentschrift
EP 0 747 772 weist das Zoomsystem
eine Mehrzahl von Linsen auf, welche entlang einer optischen Achse
angeordnet sind und welche eine Objektebene und eine Bildebene definieren,
die eine Fourier-Transformation der Objektebene ist. Zwei ihrer
Linsen sind bewegliche Linsen, welche entlang der optischen Achse
bewegbar sind, wenn Zoompositionen des Zoomsystems eingestellt werden,
um die Größe eines
beleuchteten Bereichs auf der Bildebene zu variieren. Strichplattenelemente,
Brechungselemente und optische Elemente, welche zweidimensionale
Strichplattenmuster tragen, sind sowohl in der Objektebene und in
der Austrittspupille der Zoomlinse angeordnet. Jene Anordnung steigert
in geeigneter Weise den Lichtführungsfaktor,
wo jenes optische Strichplattenelement, welches in der Objektebene
angeordnet ist, gemeinsam mit dem Zoomsystem einen kleinen Abschnitt
des Lichtführungsfaktors
einführt
und wo das optische Strichplattenelement, welches in der Bildebene
angeordnet ist, sowohl den Hauptanteil des Lichtführungsfaktors
erzeugt und die Beleuchtung anpaßt, um für die Größe des beleuchteten Feldes
geeignet zu sein, zum Beispiel die rechteckige Eintrittsoberfläche eines
stabförmigen
Lichtintegrators, welcher ihm im optischen Zug folgt. Die Strichplattenelemente
können auch
Rasterelemente oder gerasterte Elemente genannt werden. Das Zoomsystem
weist ein Zoomverhältnis (Ausdehnungsverhältnis) von
drei auf, so daß eine
teilweise kohärente
Beleuchtung, welche Kohärenzgrade im
Bereich von 0,3 bis 0,9 aufweist, eingestellt werden kann.
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Der
Einsatz eines Zoomsystems auf der Beleuchtungsvorrichtung eines
Wafer-Steppers, um das Anpassen des Kohärenzgrades der Beleuchtung
ohne Lichtverluste zu erlauben, ist aus der
US-Patentschrift 5,237,367 bekannt.
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Ein
afokales Zoomsystem zum Beleuchten von Wafer-Steppern, welches die Anpassung des
Kohärenzgrades
der Beleuchtung mit geringen Lichtverlusten erlaubt, ist aus der
US-Patentschrift 5,245,384 bekannt.
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Ein
Beleuchtungssystem, welches ein afokales optisches System aufweist,
das als ein Strahlexpander dient, um einen eintretenden Lichtstrahl,
der parallele Strahlen aufweist, in einen austretenden Lichtstrahl
umzuwandeln, der eine größere Querschnittsfläche und
ebenfalls parallele Lichtstrahlen aufweist, ist aus der
US-Patentschrift 5,955,243 bekannt.
Das System weist eine erste Linsengruppe auf, welche eine negative
refraktive Leistung an ihrem Eintrittsende besitzt, auf die eine
zweite Linsengruppe folgt, welche eine hohe positive refraktive
Leistung aufweist, die gemeinsam den eintretenden Lichtstrahl auf
eine Fokusebene fokussieren, die in einem Abstand hinter der zweiten
Linsengruppe angeordnet ist. Eine dritte Linsengruppe, welche eine
positive refraktive Leistung besitzt, die den auseinandergehenden
Strahl, der vom Fokuspunkt kommt, parallel richtet, ist in einem
großen
Abstand hinter jener Fokusebene positioniert. Im Falle dieser Anordnung
sollte die Energiedichte des Laserstrahls in den Nahbereichen der
zweiten und der dritten Linsengruppe, d. h. auf beiden Seiten des
Fokuspunkts, geringer sein als die Energiedichte des eintretenden
Laserstrahls, was mit der Absicht erfolgt, daß strahlungsinduzierte Beschädigung jener
Linsen vermieden werden kann, wo der Abstand zwischen diesen Linsen
und dem Fokuspunkt nicht unter einen Minimalabstand fallen darf.
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In
vielen Anwendungen, insbesondere Anwendungen auf dem Gebiet der
mikrolithographischen Herstellung von Halbleitervorrichtungen und
anderen Typen von Mikrovorrichtungen ist es wünschenswert, in der Lage zu
sein, zwischen verschiedenen Beleuchtungseinstellungen umzuschalten,
ohne die Linsen über
große Abstände bewegen
zu müssen.
Außerdem
ist es häufig
erstrebenswert, ein großes
Expansionsverhältnis,
d. h. einen großen
Bereich von Bildgrößenvariation,
zu haben, um in der Lage zu sein, zum Beispiel weit differierende
herkömmliche
Beleuchtungseinstellungen auswählen
zu können.
Ein Grenzzustand, welcher zunehmend wichtig wird, insbesondere bei
kurzen Wellenlängen,
zum Beispiel 193 nm, 157 nm oder kürzeren Wellenlängen, besteht
darin, die Gesamtzahl der optischen Oberflächen im System zu minimieren,
um Übertragungsverluste
zu begrenzen. Des weiteren ist eine Telezentrizität des Austrittsendes
(Bildendes) des Zoomsystems günstig,
um es anpassen zu können,
um den optischen Systemen zu dienen, welche ihm im optischen Zug
nachfolgen, insbesondere im Fall von Beleuchtungssystemen, auf welchen
exklusiv winkelhaltige optische Elemente wie stabförmige Lichtintegratoren
in Nachfolge ihres Zoomsystems angeordnet sind.
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Das
Problem, welches von der Erfindung angesprochen wird, besteht im
Gestalten eines Zoomsystems, welches das Variieren der Bildgröße über einen
breiten Bereich bei geringem Versatz seiner beweglichen Linsen erlaubt.
Das Zoomsystem sollte vorzugsweise auch durch Telezentrizität an seinem
Austrittsende und eine hohe Durchlässigkeit gekennzeichnet sein
und es sollte für
den Einsatz auf einer Beleuchtungsvorrichtung geeignet sein.
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Dieses
Problem wird durch ein Zoomsystem gelöst, welches jene Kennzeichen
aufweist, die in Anspruch 1 dargelegt sind. Nützliche Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
dargelegt. Die Wortwahl aller Ansprüche wird hiermit zum integralen
Bestandteil dieser Beschreibung durch Bezugnahme darauf gemacht.
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Im
Falle eines Zoomsystems gemäß der Erfindung
sind dessen Linsen dargestellt und angeordnet, so daß eine erste
Zwischenbildebene (Zwischenpupillenbildebene) zu einer Bildebene
konjugiert und eine zweite Zwischenbildebene (Zwischenfeldbildebene),
welche eine Fourier-Transformation der Bildebene ist, zwischen der
Objektebene und der Bildebene liegt und so daß mindestens eine der Linsen
des Zoomsystems in der Nähe
mindestens einer der Zwischenbildebenen angeordnet ist. Es wird
folglich eine Zoomlinse, welche eine Feldebene (Objektebene) auf
einer Pupillenebene (Bildebene) abbildet (im Unendlichen abbildet)
und sowohl ein Zwischenbild jener Feldebene und eine Zwischenebene
jener Pupillenebene aufweist, vorgeschlagen. Ein Strahldurchmesser
unterliegt vorzugsweise großen
Variationen in der Nähe
der Zwischenbilds der Feldebene, während die Strahlabweichung
vorzugsweise großen
Variationen weitgehend in der Nähe
der Zwischenpupillenbildebene unterliegt, was unterstützend im
Erzielen nützlicher
Korrektureffekte in den Nahbereichen der Zwischenbilder ist. Wenn
eine Linse dann im Nahbereich der großen Variationen im Strahldurchmesser und/oder
im Nahbereich der großen
Variationen in der Strahlabweichung angeordnet ist, dann kann eine
große Ausdehnung
des Bildfeldes für
relativ kleine Verschiebungen des Ortes der jeweiligen Zwischenbildebene,
die betroffen ist, relativ zu jener ihrer zugeordneten Linse erzielt
werden. Da Linsen, welche nahe zu Zwischenbildern angeordnet sind,
auch in den Nahbereichen angeordnet sind, wo kleine Strahldurchmesser
klein sind, ist es ausreichend, kleine optische Elemente einzusetzen.
Leichtgewichtslinsen, welche unter Einsatz kleiner anliegender Kräfte beschleunigt
und abgebremst werden können,
können
daher eingesetzt werden. Die Zone nahe eine Zwischenbildebene, die
oben erwähnt
ist, wird vorzugsweise durch die Tatsache gekennzeichnet, daß das Verhältnis der örtlichen
Strahlhöhe
innerhalb jenes optischen Nahfeldes zur maximalen Strahlhöhe irgendwo
innerhalb des Zoomsystems kleiner oder gleich ist zu ungefähr 0,5,
insbesondere kleiner oder gleich ist zu 0,3.
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Die
Konstruktion gemäß der Erfindung
bietet Nutzen an in bezug auf Korrektur für die Feld- und Winkelabhängigkeit
der Strahlungsverteilung auf der Bildebene. Um eine ungefähr gleichförmige Leistungsdichteverteilung
auf der Bildebene des Systems zu erzielen, ist es nützlich,
ein Mittel zu besitzen, um sie zu korrigieren, das in einer Ebene,
die konjugiert zu jener Ebene ist, verfügbar ist. Es ist ebenfalls
nützlich,
wenn ein Mittel zur optischen Korrektur im Nahbereich einer Ebene
eingebaut ist oder eingebaut werden kann, welche eine Fourier-Transformation der
Bildebene ist, um die Bildwinkelverteilung einzustellen. Da die
Zwischenbildebenen, welche erwähnt
worden sind, so sind, daß sie
Ebenen darstellen, wo Korrekturen wirkungsvoll eingesetzt werden
können
und Linsen, insbesondere bewegliche Linsen, vorzugsweise dort eingesetzt
werden, können die
Korrekturen der Feld- und Winkelabhängigkeit der Strahlungsverteilungen
auf der Bildebene von der Zoomposition abhängen.
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Im
Prinzip kann also die optische Funktion einer einzelnen Linse auch
durch eine Kombination mehrerer Linsen, d. h. einer Linsengruppe,
oder durch eine zusätzliche
asphärische
Oberfläche
bereitgestellt werden. Allgemein umfaßt daher der Begriff "Linse", wie in dieser Patentanmeldung
eingesetzt, auch Linsengruppen.
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Im
Falle bevorzugter Zoomsysteme ist mindestens eine bewegliche Linse
im Nahbereich mindestens eines Zwischenbildes angeordnet, um jene
Bildgröße in großem Umfang
durch Bewegen jener Linse verändern
zu können.
Das System kann auch so konstruiert sein, daß die axialen Positionen der
Zwischenbilder deutlich versetzt werden, wenn zwischen Zoompositionen
umgeschaltet wird, wobei in einem solchen Fall eine feststehende
Linse, die im Nahbereich eines Zwischenbildes angeordnet ist, auch
zu Abänderungen
der Bildgröße beitragen
kann. Im Falle der bevorzugten Ausführungsformen kommt der Hauptbeitrag
zu Abänderungen
in der Bildgröße vom Bewegen
mindestens einer Linse, welche im Nahbereich eines Zwischenbildes
angeordnet ist, wobei die Orte der Zwischenbildebenen dadurch ebenfalls
verändert
werden können.
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Mehrere
Ausführungsformen
sind gekennzeichnet durch die Tatsache, daß mindestens eine ihrer Linsen
auf der Bildseite eines beigefügten
Zwischenbildes in einer ersten Zoomposition angeordnet ist und auf der
Objektseite jenes Zwischenbildes in einer zweiten Zoomposition angeordnet
ist, wo die Zwischenbildebene, die betroffen ist, vorzugsweise eine
Pupillenebene ist und jene Linse vorzugsweise durch den Nahbereich des
Zwischenbildes hindurchgeht, dessen Ort sich wenig oder sich überhaupt
nicht ändert,
wenn die Linse versetzt wird. Ein Versetzen nur des Zwischenbildes
im Falle einer feststehenden Linse oder eine Kombination aus beiden
Arten des Versetzens ist ebenfalls möglich. Da die Variationen im
Strahldurchmesser und der Strahlabweichung ihre jeweiligen Maxima
im Nahbereich des Zwischenbildes erreichen, ist das Erzielen großer Ausdehnungsverhältnisse
für minimale
Versetzungen im Falle dieser Ausführungsformen machbar.
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Es
ist insbesondere nützlich,
wenn die maximale Verfahrenslänge
der beweglichen Linse nicht mehr als ungefähr 10% der Gesamtlänge des
Zoomsystems beträgt,
was besonders machbar ist, wenn bewegliche Linsen im Nahbereich
des Zwischenbildes angeordnet sind. Der Begriff "Gesamtlänge", wie hierin verwendet, soll als der
axiale Abstand zwischen der Objektebene und der Bildebene des Zoomsystems
definiert werden. Im Falle bevorzugter Ausführungsformen, welche den Einbau
von Zoomsystemen jener besonderen Art in Vorrichtungen vereinfachen,
zum Beispiel eine Beleuchtungsvorrichtung eines Wafer-Steppers,
in Fällen,
wo der Raum, der für
ihren Einbau verfügbar
ist, beschränkt
ist.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in der Lage Bildfeldexpansionsraten zu erzielen, die 4,0 übersteigen,
im besonderen 5,0 übersteigen. "Expansionsverhältnis" oder "Expansionsfaktor" D soll hier als
das Verhältnis
eines maximalen Radius jener beleuchteten Fläche auf der Bildebene zu dem
zugeordneten minimalen Radius jener beleuchteten Fläche auf
jener Ebene definiert werden. Ein Ausführungsformbeispiel, welches
einen Expansionsfaktor von 5,5 aufweist, wird in Verbindung mit
den Figuren näher
besprochen werden.
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Um
einen maximalen Expansionsfaktor zu erzielen, während die Längen der Verfahrenswege einzelner
Linsen kurz gehalten werden, weist eine andere Ausführungsform
eine erste bewegliche Linse und mindestens eine zweite bewegliche
Linse auf, welche entlang unterschiedlicher Bewegungskurven beweglich sind,
wenn zwischen unterschiedlichen Zoompositionen umgeschaltet wird,
was erzielt werden kann, indem zum Beispiel unabhängige Antriebe
oder ein geeigneter nicht linearer Kupplungsmechanismus eingesetzt wird,
wobei die Versetzungen der ersten beweglichen Linse und der zweiten
beweglichen Linse vorzugsweise gekoppelt oder koppelbar sind, so
daß die
Länge eines
Luftraums zwischen den Linsen oder Linsengruppen nahezu proportional
zur Bildhöhe
im Nahbereich einer der Linsen ist, was unter anderem die Konstruktion
des Reglers des Antriebsmechanismus vereinfacht.
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Zoomsysteme
gemäß der Erfindung
erlauben eine "laxe" oder "entspannte" Strahlführung mit
minimalen Einfallswinkeln auf den einzelnen optischen Oberflächen und
das Konstruieren einer günstigen
Verteilung der Refraktionsleistung, welche vorzugsweise ungefähr symmetrisch
in bezug auf die Mitte des Zoomsystems sein wird. Eine Verteilung
der Refraktionsleistung in der Reihenfolge positiv-negativ-positiv-positiv
ist günstig, wobei
die führende
sowie die abschließende
positive Refraktionsleistung durch axial feststehende Linsen bereitgestellt
werden und die negative Refraktionsleistung und die positive Refraktionsleistung,
welche auf sie folgt, durch bewegliche Linsen bereitgestellt werden.
Es ist günstig,
wenn ihre positive Refraktionsleistung am Bildende ihre Refraktionsleistung
am Objektende übersteigt,
insbesondere dreimal so groß ist,
was es erlaubt, geringe Strahlhöhen
im Nahbereich ihres Zwischenbildes im Vergleich zur Größe des betroffenen
Objekts zu erzielen. Die Refraktionsleistung jeder beweglichen Linse
oder Linsengruppe übersteigt,
insbesondere ist mehr als zweimal so groß, jene der feststehenden Linsengruppen,
welche starke optische Effekte in den Nahbereichen der beweglichen
Linsen konzentrieren, welche das Erzielen großer Expansionsverhältnisse
für kurze
Linsenverfahrwege unterstützen.
Insbesondere können
die Refraktionsleistungen jeder einzelnen der beweglichen Linsen
größer, vorzugsweise
mindestens fünf-
bis zehnmal größer, als
die maximale Refraktionsleistung des Gesamtsystems sein.
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Die
günstige
Strahlführung
bevorzugter Ausführungsformen
kann auch über
Brennweiten des Gesamtsystems gekennzeichnet werden, die sich von
einem Minimalwert f1 bis zu einem Maximalwert
f2 erstrecken, welche vom Bilddurchmesser
oder dem Durchmesser des beleuchteten Bereichs abhängig sind,
wobei seine minimale Brennweite vorzugsweise geringer ist als seine
Gesamtlänge
und geringer als ein Drittel seiner Gesamtlänge sein kann. Jedoch ist seine
maximale Brennweite vorzugsweise größer als seine Gesamtlänge und
kann seine Gesamtlänge
um das Doppelte übersteigen.
Das Verhältnis
seiner minimalen Brennweite zu seiner maximalen Brennweite ist gleich
seinem Expansionsfaktor D.
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Im
Falle der bevorzugten Ausführungsformen
kann die Gesamtzahl der optischen Elemente im Vergleich zu den Zoomsystemen
verringert werden, welche bisher verfügbar sind, trotz des zusätzlichen
maßstäblichen
Abbildens, welches in Zoomsystemen gemäß der Erfindung stattfindet.
Solche Verringerungen können durch
Anordnen mindestens einer optischen Komponente erzielt werden, welche
mindestens eine asphärische Oberfläche zwischen
der Objektebene und der Bildebene aufweist. Es ist besonders günstig, wenn
mindestens eine asphärische
optische Komponente, welche eine asphärische Oberfläche aufweist,
die im Nahbereich mindestens eines Zwischenbildes angeordnet ist,
bereitgestellt wird. Jene asphärische
Oberfläche
sollte vorzugsweise auf einem beweglichen optischen Element angeordnet
sein, welches das Variieren der Korrekturwirkung der asphärischen
Oberfläche über einen
breiten Bereich erlaubt. Im Falle eines bevorzugten Systems weisen mindestens
eine feststehende Linse und mindestens eine bewegliche Linse mindestens
jeweils eine asphärische
Oberfläche
auf. Insbesondere können
mehr als ein Drittel seiner Linsen asphärische Oberflächen aufweisen,
was sowohl das Verringern der Gesamtzahl der Linsen, die erforderlich
ist, als auch die Materialmengen, die für ihre Herstellung erforderlich
sind, verringert. Zoomsysteme, welche weniger als 20 oder 15 optische Oberflächen aufweisen,
sind machbar. Bevorzugt werden weniger optische Oberflächen, zum
Beispiel 12 oder auch nur 10 optische Oberflächen, wie im Falle des Fünf-Linsen-Zoomsystems,
welches in den Figuren dargestellt ist.
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Um
Beschädigung
der Linsen auf Grund von hohen Strahlungsenergiedichten von vornherein
auszuschließen,
kann das System so konfiguriert sein, daß keine optischen Materialien
in der unmittelbaren Nähe einer Strahlbündelung,
d. h. in der unmittelbaren Nähe
einer hochenergiedichten Nahfeldzone, welche das Zwischenfeldbild
(zweite Zwischenbildebene) umgibt, angeordnet sind. Diese "hochenergiedichte
Nahfeldzone" ist
so bemessen, daß außerhalb
dieser Nahfeldzone die Durchmesser der beleuchteten Punkte auf Linsen viel
größer als
der minimale Punktdurchmesser auf der Zwischenfeldebene sind. Wenn
zum Beispiel solch ein Zoomsystem in eine Beleuchtungsvorrichtung
eingebaut wird, die ein optisches Strichplattenelement aufweist, das
ein zweidimensionales Gittermuster besitzt, das ein Fokussiergitter
erzeugt, das ihm im optischen Zug nachfolgt, und dieses Element
in der Objektebene des Zoomsystems angeordnet ist, so erlaubt das
den Umstand, daß das
Bild des Fokussiergitters in der Zoomlinse liegt und daß keine
optischen Materialien in der Nähe des
Bildes des Fokussiergitters angeordnet sind. Es kann vorgesehen
sein, daß die
maximale Energiedichte des Lichtes, das auf eine optische Oberfläche des
Zoomsystems einfällt,
unbedingt geringer ist als das 1,5fache der Energiedichte des Licht,
welches auf der Objektebene einfällt,
was erlaubt, Strahlungsenergiespitzen verläßlich zu verhindern, die zu
lichtinduzierten Anhäufungen
von Verunreinigungen auf optischen Oberflächen führen könnten und/oder Linsen beschädigen und
ihre Einsatzlebensdauer verkürzen
könnten.
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Das
Vorangehende und andere Kennzeichen sind sowohl in den Ansprüchen und
in der Beschreibung dargelegt als auch in den Figuren dargestellt,
wobei die einzelnen betroffenen Kennzeichen Kennzeichen darstellen
können,
die allein patentierbar sind oder mehrere solche in der Form von
Kombinationen von Untergruppen davon vorliegen, welche in einer
Ausführungsform
der Erfindung erscheint, und auf anderen Gebieten umgesetzt werden
können
als auch günstige
Ausführungsformen
darstellen können,
die selbst wiederum patentierbar sind. Die Figuren stellen dar:
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1 ist
eine schematische Übersicht über eine
Ausführungsform
einer Beleuchtungsvorrichtung für eine
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsvorrichtung, welche mit
einer Ausführungsform
eines Zoomsystems gemäß der Erfindung
ausgestattet ist;
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2 ist
eine schematische Darstellung der Pfade des Randstrahls, welcher
zur Mitte des Feldes voran schreitet, und des Hauptstrahls, welcher
zum Rand des Feldes voranschreitet, für eine Ausführungsform eines Zoomsystems
gemäß der Erfindung;
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3 schneidet
durch die Linsen einer Ausführungsform
eines Zoomsystems gemäß der Erfindung für sechs
Zoompositionen; und
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4 ist
ein Ausdruck der maximalen Energiedichte, normalisiert zur Energiedichte
des Lasers, der betroffen ist, des Laserlichteinfalls auf einer
optischen Oberfläche
als eine Funktion der optischen Oberfläche des Zoomsystems.
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1 stellt
ein Beispiel einer Beleuchtungsvorrichtung
1 eines Mikrolithographie-Projektionsbelichtungssystems
dar, welches zur Herstellung von Halbleitergeräten und anderen Typen von Mikrovorrichtungen einsetzbar
ist und mit Licht vom tiefen Ultraviolettspektralbereich betrieben
wird, um das Erzielen räumlicher Auflösungen hinunter
bis zu Bruchteilen eines Mikrometers zu erlauben. Als Lichtquelle
2 dient
ein F
2-Excimer-Laser, welcher eine Betriebswellenlänge von
ungefähr
157 nm aufweist, dessen Lichtstrahl koaxial mit der optischen Achse
3 des
Beleuchtungssystems liegt. Andere UV-Lichtquellen, wie ArF-Excimer-Laser,
die mit einer Wellenlänge
von 193 nm arbeiten, KrF-Excimer-Laser, die mit einer Wellenlänge von
248 nm arbeiten, oder Quecksilberdampflampen, die mit Wellenlängen von
368 nm oder 436 nm arbeiten, können
ebenfalls eingesetzt werden. Licht von der Lichtquelle
2 trifft
anfänglich
auf eine Strahlaufweitungsvorrichtung
4, welche zum Beispiel
eine Anordnung von Spiegeln gemäß der deutschen
Patentschrift
DE 41 24 311 sein
kann, und dient dazu, die Kohärenz
zu verringern und den Querschnitt ihres Strahls auf z. B. y = 35
mm ± 10
mm und x = 10 mm ± 5
mm zu erhöhen.
Im Falle der gezeigten Ausführungsform
ist ein wahlweiser Verschluß,
der anderenfalls vorgesehen wäre,
durch einen geeigneten Pulsregler für den Laser
2 ersetzt.
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Ein
erstes optisches, lichtbrechendes Gitternetzelement (Rasterelement) 5 ist
in der Objektebene 6 einer Zoomlinse 7, die im
Strahlpfad angeordnet ist, angeordnet, in deren Bildebene 8 oder
Austrittspupille ein zweites optisches, lichtbrechendes Gitternetzelement
(Rasterelement) 9 angeordnet ist.
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Eine
die Eingabe koppelnde Optik 10, die dem letzteren folgend
im optischen Zug angeordnet ist, überträgt das Licht auf die Eintrittsoberfläche 11 eines
stabförmigen
Lichtintegrators 12, welcher aus Kalziumfluorid hergestellt
ist und welcher das von ihm übertragene
Licht durch mehrfache innere Reflexionen mischt und homogenisiert.
Eine Zwischenfeldebene, in welcher ein Retikel/Maskiersystem (REMA) 14,
das als eine anpaßbare
Feldblende dient, fällt
mit der Austrittsoberfläche 13 des
Stabs 12 zusammen. Die Linse 15, welche dem letzteren
im optischen Zug folgt, bildet jene Zwischenfeldebene und das Maskiersystem 14 auf
dem Retikel 16 (eine Maske oder photolithographisches Layout)
ab und umfaßt
eine erste Linsengruppe 17, eine Zwischenpupillenebene 18,
in welche Filter oder Blenden eingeschoben werden können, eine
zweite Linsengruppe 19 und eine dritte Linsengruppe 20 und,
zwischen ihnen angeordnet, einen Ablenkungsspiegel 21,
welcher das Miteinbeziehen der langen (ungefähr 3 m langen) Beleuchtungsvorrichtung
mit ihrer Achse und aufgesetzt auf das Retikel 16 mit ihrer
Ebene horizontal erlaubt.
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Gemeinsam
mit der Projektionslinse (nicht gezeigt) und einem einstellbaren
Wafer-Halter, welcher das Retikel 16 in der Objektebene
der Projektionslinse einspannt, bildet dieses Beleuchtungssystem
ein Projektionsbelichtungssystem für die mikrolithographische
Herstellung von elektronischen Schaltungskomponenten wie auch von
brechenden optischen Elementen und anderen Typen von Mikrovorrichtungen.
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Im
Falle eines Wafer-Steppers wird die gesamte strukturierte Oberfläche, welche
im Allgemeinen ein Rechteck sein wird, das ein beliebiges Seitenverhältnis im
Bereich von zum Beispiel 1:1 bis 1:2, im besonderen 1:1,3 aufweist,
entsprechend einem Mikrochip auf dem Retikel 16, so gleichmäßig wie
möglich
beleuchtet, wobei die Kanten der beleuchteten Fläche so scharf wie möglich definiert
sind.
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Im
Falle eines Wafer-Scanners wird ein schmaler Streifen, typischerweise
ein Rechteck mit einem Seitenverhältnis im Bereich von 1:2 bis
1:8 auf dem Retikel beleuchtet und die beleuchtete Fläche wird
fortschreitend über
das gesamte strukturierte Feld eines Mikrochips gescannt. Hier wiederum
sollte die Beleuchtung so angeordnet sein, daß sie extrem gleichmäßig ist
und scharf definierte Kanten entlang der Richtung, orthogonal zur
Abtastrichtung, aufweist.
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In
vielen Fällen
kann die beleuchtete Fläche
auf dem Retikel 16 auch andere Formen aufweisen. Die Apertur
des Retikel/Maskier-Systems 14 und das Querschnittsprofil
des Stabes 12 sollten genau angepaßt sein, um für die angeforderte
Form der beleuchteten Fläche
geeignet zu sein.
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Die
Ausführungsformen
der Komponenten, insbesondere der optischen Gitterelemente 5 und 9,
welche dem stabförmigen
Lichtintegrator 12 vorangehen, sollten so gewählt sein,
daß die
Eintrittsoberfläche 11 des
Stabes weitgehend einheitlich mit dem größtmöglichen Wirkungsgrad, d. h.
ohne bedeutsame Lichtverluste auf Grund von Überfüllen seiner Eintrittsoberfläche, beleuchtet
ist. Zu diesem Zweck werden die Abweichung und das Profil des parallel
gerichteten Lichtstrahls von der Strahlaufweitungsvorrichtung 4,
welche einen rechteckigen Querschnitt und ein nicht achsensymmetrisches
Abweichungsprofil aufweist, anfänglich
geändert
durch das erste optische, lichtbrechende Gitternetzelement 5,
während
der Lichtführungsfaktor
erhöht wird.
Insbesondere weist das erste optische, lichtbrechende Gitternetzelement 5 zahlreiche
hexagonale Zellen auf, welche eine hexagonale, winkelige Beleuchtungsdichteverteilung
ergeben. Die numerische Apertur NA des ersten optischen, lichtbrechenden
Gitternetzelement ist zum Beispiel NA = 0,025, welche ungefähr 10% des
gesamten Lichtführungsfaktors,
der eingeleitet werden soll, einleitet. Gemeinsam mit der Zoomoptik 7 ergibt
das erste optische, lichtbrechende Gitternetzelement 5,
welches in der vorderen Brennweitenebene der Zoomoptik 7 angeordnet
ist, einen beleuchteten Punkt, der eine veränderliche Größe auf der
hinteren Brennweitenebene oder Bildebene 8 des Zoomsystems
aufweist, wo das zweite optische, lichtbrechende Gitternetzelement 9,
welches in der Form eines brechenden optischen Elements, das ein
rechteckiges Beleuchtungsdichteprofil ergibt, konfiguriert ist,
angeordnet ist. Dieses letztere Element stellt den Großteil des
Lichtführungsfaktors
bereit und passt ihn an die Feldgröße, d. h. die Querschnittsfläche der
rechteckigen Eintrittsoberfläche 11 des
stabförmigen
Lichtintegrators 12 mittels der eingabegekoppelten Optik 10,
an.
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Ausgenommen
die Zoomlinse
7, könnte
das Layout des Beleuchtungssystems zum Beispiel jenem entsprechen,
das in der europäischen
Patentschrift
EP 0 747 772 beschrieben
ist, dessen entsprechende Offenbarung hierin zu einem integralen
Bestandteil dieser Beschreibung durch Bezugnahme gemacht wird. Andere
Konstruktionen sind ebenfalls möglich.
Zum Beispiel kann ein Modul, welches einen Wabenkondensator und
eine Feldlinse umfaßt,
anstelle des Moduls, welches die die Eingabe koppelnde Gruppe
10 und
den stabförmigen
Lichtintegrator
12 umfaßt, vorgesehen sein.
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Das
Layout, die Betriebsarten und die besonderen Merkmale des Zoomsystems 7 werden
unten genauer besprochen. Um die Abbildungseigenschaften des Zoomsystems 7 klarzustellen,
stellt 2 schematisch die Pfade von bezeichneten Strahlen
im System dar. Das Zoomsystem 7 ist eine Zoomlinse, deren
Objektebene 6 und Bildebene 8 Fourier-Tranformations-Ebenen
sind. Ein Zwischenpupillenbild, dessen axiale Anordnung durch die
Tatsache, daß ein
Hauptstrahl 26 von einem Punkt auf der Kante des Eintrittsfeldes
die optische Achse 3 dort schneidet, liegt in einer konjugiert
zur Bildebene 8 liegenden Ebene (erste Zwischenbildebene) 25,
welche zwischen der Objektebene 6 und der Bildebene 8 liegt.
Jener Hauptstrahl wird hier auch als ein "Feldkante-zu-Aperturenzentrum-Strahl" bezeichnet und verbreitet
sich praktisch parallel zur optischen Achse 3 an der Stelle
der Objektebene 6. Der zweite Schnittpunkt jenes Hauptstrahls 26 mit
der optischen Achse liegt in der Bildebene 8. Außerdem liegt
eine zweite Zwischenbildebene 27, welche eine Fourier-Transformation der
Bildebene 8 ist, in welcher ein Zwischenfeldbild angeordnet
ist, zwischen der Objektebene und der Bildebene. Die axiale Position
der Zwischenfeldbildebene, welche zur Feldebene 6 konjugiert
ist, ergibt sich aus der Tatsache, daß die Randstrahlen 28,
welche durch die begrenzende Apertur nahe ihrer Kanten hindurchgehen,
eines Zentralstrahles koinzident mit der optischen Achse 3 die
optische Achse dort ein zweites Mal schneiden. Der Feldkante-zu-Aperturenzentrum-Strahl 28 breitet
sich praktisch parallel zur optischen Achse 3 an der Position
der Bildebene aus. Das System ist vorzugsweise so konstruiert, daß die minimale
Strahlhöhe
beim Zwischenfeldbild 27 kleiner als 50%, im besonderen
kleiner als 20% der Strahlhöhe
in der Objektebene 6 ist. Diese Serie von Zwischenbildern
zwischen der Objektebene 6, welche eine Feldebene ist,
und der Bildebene 8, welche eine Pupillenebene ist, hier
besprochen auf der Grundlage einer schematischen Zeichnung, besteht
für jede
Zoomposition der Zoomlinse 7, wo die axialen Positionen
des Zwischenpupillenbildes 25 und des Zwischenfeldbildes 27 jedoch
variieren können.
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Die
optische Konstruktion einer bevorzugten Ausführungsform eines Zoomsystems 7,
welches fünf Linsen
aufweist, wird nun genauer besprochen, basierend auf 3 und
Tabelle 1 bis Tabelle 3. Jenes Zoomsystem 7 weist eine
feststehende Gesamtlänge
(Abstand zwischen seiner Objektebene und seiner Bildebene) von ungefähr 1220
mm auf. Eine bikonvexe erste Linse 30, welche eine Eintrittsoberfläche F2 und
eine Austrittsoberfläche
F3 aufweist, ist mit einem Arbeitsabstand von 144 mm von der Feldebene 6 entfernt
angeordnet. Jene Linse wird von einer bikonkaven zweiten Linse 31 gefolgt,
welche einen kleineren Durchmesser aufweist und leichter ist als
jede der anderen Linsen des Zoomsystems und eine Eintrittsoberfläche F4 und
eine Austrittsoberfläche
F5 aufweist und von der ersten Linse durch einen veränderlichen
Luftraum getrennt ist. Jene Linse wird von einer bikonvexen dritten
Linse 32 gefolgt, welche eine asphärische Eintrittsoberfläche F6 und
eine sphärische
Austrittsoberfläche
F7 aufweist. Die zweite Linse 31 und die dritte Linse 32 sind
axial beweglich und stellen die einzigen Linsen des Zoomsystems
dar, welche axial beweglich sind. Die dritte Linse 32 wird
von einer feststehenden vierten Linse 33 gefolgt, welche
eine positive Brechungsleistung, eine nahezu ebene Eintrittsoberfläche F8 und
eine asphärische
Austrittsoberfläche
F9 aufweist und von der dritten Linse durch einen großen Abstand
getrennt ist. Die vierte Linse wird von einer feststehenden fünften Linse 34 gefolgt, welche
eine konvexe Eintrittsoberfläche
F10 und eine ebene Austrittsoberfläche F11 aufweist, die 110 mm
vor der Bildebene 8 angeordnet ist und von der vierten
Linse durch einen feststehenden Luftraum getrennt ist. Alternativ
kann diese letztere Linse 34 durch ein Paar von Axicons
ersetzt werden, welche konische oder pyramidenförmige Oberflächen aufweisen,
die einander zugewandt sind, welche vorzugsweise zusammengeschoben
werden können,
um entweder herkömmliche
ringförmige
Beleuchtung oder herkömmliche
Vierpol-Beleuchtung auswählen
zu können.
Es ist ausreichend Platz vorhanden, um einen wahlweisen Ablenkspiegel zwischen
der vierten Linse 33 und der fünften Linse 34 einzubauen.
Lichtstrahlen, welche durch diesen Raum hindurchgehen, weisen eine
winkelige Ausbreitung von gerade 6° oder so ähnlich auf, was den Einsatz
einer einfachen, aber nichtsdestoweniger wirkungsvollen Spiegelbeschichtung
erlaubt.
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Tabelle
1 listet die Krümmungsradien
r [mm] der Linsenoberflächen,
die zugehörigen
Dicken der jeweiligen Linsen d [mm] und die Strahldurchmesser bei
halbmaximaler Intensität
hmax [mm], welche an ihren Oberflächen F auftreten,
auf. Tabelle 2 listet die asphärischen
Konstanten der asphärischen
Oberflächen
F6 und F9 des Zoomsystems in der üblichen Notation auf. Tabelle
3 listet die axialen Längen
[mm] der veränderbaren Lufträume, welche
den Linsenoberflächen
F3, F7 und F11 folgen, für
sechs unterschiedliche Zoompositionen auf (Zoom Pos. 1 bis Zoom
Pos. 6, voranschreitend von oben nach unten in 3).
Alle Linsen sind aus CaF2 hergestellt, was
einen Nennbrechungsindex n von n = 1,558 bei einer Betriebswellenlänge von
157,63 nm aufweist. Die axialen Positionen der Zwischenpupillenebene 25 und
der Zwischenfeldebene 27 sind ebenfalls bezeichnet.
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Die
Funktionen und andere besondere Merkmale des Zoomsystems werden
unten besprochen. Die Objektebene (Feldebene 6) wird durch
eine Strahlungsdichteverteilung beleuchtet, welche ein rechteckiges Profil
und Abmessungen von ungefähr
20 mm × 15
mm aufweist. Das erste optische, lichtbrechende Gitternetzelement 5,
welches in der Objektebene angeordnet ist, erzeugt eine winkelige
Strahlungsdichteverteilung in der Objektebene, die eine hexagonale
Form im Winkelraum aufweist. Die mittlere numerische Apertur ebendort
beträgt
27 mrad. Dieses Licht geht durch die Linsen des Zoomsystems hindurch
und erzeugt einen hexagonalen beleuchteten Bereich auf der Bildebene 8,
wo die Größe jener
beleuchteten Fläche
fortlaufend durch Variieren der Positionen der zwei beweglichen
Linsen 31 und 32 veränderbar ist. Im Falle dieser
besonderen Ausführungsform
kann der Radius des Kreises, welcher die gleiche Fläche wie
dieses Sechseck beschreibt, von einem Minimum von ungefähr 10 mm
(Zoomposition 1, oben in 3) bis auf ein Maximum von ungefähr 55 mm
(Zoomposition 6, unten in 3) verändert werden,
was mit einer Aufweitung oder einem Aufweitungsverhältnis von
5,5 entspricht. Der maximale Bilddurchmesser ist daher geringer
als ungefähr
10% der Gesamtlänge
des Zoomsystems, d. h. das Zoomsystem ist ein "langes" Zoomsystem. Für jede Zoomposition beträgt die Veränderung
in der Energiedichte über
die Bildebene 8 ungefähr
5% oder weniger, wenn die großen
Veränderungen,
die entlang der Ränder
der Strahlungsdichteverteilung auftreten, ignoriert werden. Die
Richtungen der Hauptstrahlen in der Bildebene unterscheiden sich
von der Richtung der optischen Achse 3 durch 1 mrad oder
weniger für
jede Zoomposition. Der Lichtstrahleinfall auf die Bildebene weist
eine numerische Apertur von weniger als ungefähr 0,055 für jede Zoomposition auf, was
besagt, daß die
exakte Position der Bildebene, welche mit der Zoomposition variiert,
wenig Einfluss auf die Strahlungsdichteverteilung auf einer wirklichen,
feststehenden Bildebene haben wird. Darüber hinaus haben die jeweiligen
Winkelverteilungen in solchen Strahlungsdichteverteilungen bei niedernumerischen
Aperturen nur einen sehr geringen Einfluss auf die Abbildungsleistung.
Die minimale beleuchtete Fläche
auf der Bildebene ist kleiner als die Fläche des beleuchteten Punktes
in der Objektebene und die maximale beleuchtete Fläche in der
Bildebene übersteigt
die Fläche der
Objektebene.
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Die
maximale Energiedichte, welche auf den verschiedenen Systemoberflächen, gezeigt
in 4, auftreten, sind geringer als das 1,5fache der
Energiedichte des Laserlichts auf der Objektebene 6 für alle optischen
Oberflächen
F2 bis F11. Folglich wird keine der Linsen des Zoomsystems übermäßig hohen
Strahlungsenergiedichten unterworfen, was größtenteils der Tatsache zuzuschreiben
ist, daß keine
optischen Materialien im hochstrahlungsenergiedichten Nahfeld der
Zwischenfeldbildebene 27 in keiner der Zoompositionen angeordnet
sind, was beweisbar, unter anderen Faktoren, aus der Tatsache hervorgeht,
daß dieser
hochstrahlungsenergiedichte Brennpunkt in das zentrale Drittel des
Luftraums zwischen der beweglichen dritten Linse 32 und der
feststehenden vierten Linse 33 bei jeder Zoomposition fällt, oder
aus der Tatsache hervorgeht, daß die Durchmesser
der beleuchteten Punkte an den Orten jener Linsen 32 und 33 viel
größer sind
als der minimale Durchmesser des beleuchteten Punktes auf der Zwischenfeldebene.
Wenn ein Fokussiergitter, welches z. B. in einem optischen Gitterelement
erzeugt werden kann, in der Nähe
der Objektebene angeordnet ist, dann wird das Bild dieses Fokussiergitters
ebenfalls weit weg in bezug auf Energiedichten von allen optischen
Materialien angeordnet sein, da das Bild dieses Fokussiergitters
im Nahbereich der Zwischenfeldebene 27 liegen wird.
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Diese
günstige
Energieverteilung ist ebenfalls ersichtlich aus der Tatsache, daß es wenigstes
eine Linse gibt, deren beleuchtete Fläche einen Durchmesser aufweist,
der mindestens 90% des Linsendurchmessers für jede Zoomposition ausmacht.
Im Falle des betrachteten Ausführungsformbeispiels
wird diese Bedingung durch die erste feststehende Linse 30 und
die erste bewegliche Linse 31 erfüllt. Linsen, welche diese Bedingung
erfüllen,
werden ähnlichen
Energiedichten für
jede beliebige Zoomposition unterworfen sein, was besonders nützlich im
Falle dieser besonderen Ausführungsform
ist, da sie Linsen einsetzt, welche relativ kleine Durchmesser aufweisen.
Sie besitzt auch eine bewegliche Linse 32 und feststehende
Linsen 33 und 34, deren beleuchtete Flächen stark
variieren und Durchmesser aufweisen, die von 60% bis 100% des jeweiligen
involvierten Linsendurchmessers streuen. Obwohl die Energiedichten,
denen diese Linsen unterworfen sind, für unterschiedliche Zoompositionen
breit variieren, hat dies in der Praxis keine nachteiligen Wirkungen
im Falle dieser besonderen Ausführungsform,
da alle involvierten Linsen ziemlich große Durchmesser aufweisen. Ein
Vorteil der relativ breiten Variationen der Durchmesser der beleuchteten
involvierten Punkte besteht darin, daß Bereiche nahe den Kanten
der Linsen für
Zoompositionen ausgenutzt werden können, die Bilder mit großen Bilddurchmessern
ergeben, während
die mittigen Bereiche ihrer Oberflächen zum Korrigieren von Bildfehlern
ausgenutzt werden können,
welche für
Zoompositionen auftreten, die Bilder mit kleinen Bilddurchmessern
ergeben.
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Im
Falle von Zoomsystemen gemäß der Erfindung
wird das große
involvierte Expansionsverhältnis
D für relativ
kurze Verfahrenswege ihrer beweglichen Linsen erzielt, welche auch
kleine Durchmesser aufweisen und leichtgewichtig sind, da sie im
Nahbereich mindestens eines Zwischenbildes 25 und 27 des
Systems angeordnet sind. Beide ihrer beweglichen Linsen 31 und 32 sind
Singletts, damit kleine Mengen Linsenmaterial umpositioniert werden
müssen
und die Mechanismen, die zu ihrem Bewegen eingesetzt werden, einfach
aufgebaut sein können.
Insbesondere jene Linse 31, welche die leichteste an Gewicht
ist, ist eine bewegliche Linse. Es kann vorgesehen sein, daß der Durchmesser
von mindestens einer der beweglichen Linsen kleiner ist als 40%,
insbesondere kleiner ist als 25% des maximalen Bilddurchmessers.
Aus 3 kann ersehen werden, daß die zweite Linse 31 axial
um nicht mehr als ungefähr
55 mm umpositioniert werden muß,
was weniger als 5% der Gesamtlänge
des Zoomsystems entspricht, um sie zwischen ihrer Position 35, am
nächsten
zum Objekt (Zoomposition 1), und ihrer Position 36, am nächsten zum
Bild (Zoomposition 3), zu verschieben. Die dritte Linse 32 wird
um weniger als 120 mm umpositioniert, was weniger als 10% der Gesamtlänge des
Zoomsystems entspricht, um sie zwischen ihrer Position 37, am nächsten zum
Objekt (Zoomposition 1), und ihrer Position 38, am nächsten zum
Bild (Zoomposition 6), zu verschieben. Gemeinsam mit den leichten
Gewichten der beweglichen Linsen bedeutet dies, daß geringe
Mengen an Energie zum Bewegen dieser Linsen erforderlich sind.
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Aus 3 kann
ebenfalls leicht ersehen werden, daß es keine einfache, lineare
Beziehung zwischen den Bewegungskurven der beweglichen Linsen 31 und 32 gibt.
Im Gegenteil ist die Position der größeren Linse 32 fortwährend näher an die
Bildebene verschoben, wenn von der Zoomposition 1, welche die beleuchtete
Fläche
mit dem kleinsten Durchmesser ergibt, auf die Zoomposition 6 umgeschaltet
wird, welche die beleuchtete Fläche
mit dem größten Durchmesser
ergibt, während
die Position der kleineren dieser zwei Linsen 31 in Richtung
des Bildes verschoben ist, wenn von der Zoomposition 1 auf die Zoomposition
6 umgeschaltet wird, und bleibt praktisch unverändert, wenn von der Zoomposition
2 auf die Zoomposition 3 umgeschaltet wird, und wird dann in Richtung
der Objektebene 6 verschoben, wenn von der Zoomposition
3 auf die Zoomposition 6 umgeschaltet wird, was entweder durch Einsetzen
getrennter Antriebe für
die beweglichen Linsen 31 und 32 oder durch Einsetzen
eines nicht linearen Mechanismus zum Koppeln dieser Linsen erzielt
wird. Es ist erkennbar, daß die
Länge des
Luftraums zwischen dem Paar beweglicher Linsen 31 und 32 ungefähr proportional
zur Bildhöhe
in jenem Luftraum ist, was die Regelung ihrer Bewegungen vereinfacht.
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Es
ist auch erkennbar, daß der
axiale Abstand zwischen einer beweglichen Linse und einer feststehenden
Linse unweigerlich das Doppelte der maximalen Länge des Verfahrensweges der
beweglichen Linse übersteigt,
was eine wesentliche Größe an Raum
zum Einbau des Antriebsmechanismus für bewegliche Linsen vorhanden
sein läßt. Die
beweglichen Linsen 31 und 32 sind im zentralen
Drittel des Zoomsystems 7 angeordnet, was ausreichend Raum
zum Einbau der Führungsschienen,
entlang welcher diese beweglichen Elemente umpositioniert werden
können,
zur Verfügung
stellt. Ausreichender Platz steht auch axial außerhalb dieses Raumes zur Aufnahme
dieser Führungsschienen
zur Aufnahme einer wahlweisen Vorrichtung zum Auswechseln des optischen
Gitternetzelements 5 und/oder zur Aufnahme eines Ablenkspiegels,
wenn notwendig, zur Verfügung,
welcher im Zoomsystem vorhanden sein kann, wo jener Ablenkspiegel
zwischen den feststehenden Linsen 33 und 34 angeordnet
sein kann. Keine feststehenden Linsen sind zwischen den beweglichen Linsen
angeordnet, was Einschränkungen
für die
Verfahrensweglängen
dieser Linsen ausschließt.
Für einige besondere
Zoompositionen kann die erste bewegliche Linse 31 an einer
Position angeordnet sein, wo die zweite bewegliche Linse 32 für eine andere Zoomposition
angeordnet sein kann, was es erlaubt, das Zoomsystem so zu konstruieren,
daß es
unausweichlich einen minimalen Abstand gibt, welcher zwischen den
beweglichen Linsen verbleibt, welcher im Falle des involvierten
Ausführungsformbeispiels
mindestens 25% des minimalen Bilddurchmessers ist. Die beweglichen
Linsen werden daher durch einen minimalen Abstand zu jeder Zeit
getrennt, womit Kollisionen auf Grund von Überschwingern, was mindestens
prinzipiell bei hohen Beschleunigungen auftreten kann, von vornherein
ausgeschlossen bleibt, was wiederum die Verläßlichkeit des Zoomsystems im
Betrieb verbessert.
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Es
ist auch erkennbar, daß die
größere der
beweglichen Linsen durch den Nahbereich des Zwischenpupillenbildes 25 hindurchgeht,
wenn zwischen Zoompositionen umgeschaltet wird. Jenes Zwischenpupillenbild
liegt auf der Bildseite der dritten Linse 32 für die Zoomposition
1, in der dritten Linse 32 für die Zoomposition 2 und auf
der Objektseite der dritten Linse 32 für alle anderen Zoompositionen.
Da die Eintrittsoberfläche F6
der dritten Linse 32 eine asphärische Oberfläche ist,
welche durch den Nahbereich des Zwischenpupillenbildes wandert,
kann diese asphärische
Oberfläche
eine besonders starke Wirkung auf die Abbildungsleistung, welche
durch das Zoomsystem erreichbar ist, haben, was zum Korrigieren
für die
Abhängigkeit
der Beleuchtungsdichteverteilung in der Bildebene 8 auf
der Größe des beleuchteten
Feldes und des Einfallwinkels für
die gegebenen Zoompositionen eingesetzt werden kann.
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Die
besonderen Merkmale der Zoomsysteme gemäß der Erfindung sind auch ersichtlich
aus ihrer Lichtbrechkraftverteilung. Einer axial feststehenden Linse
oder Linsengruppe, welche eine positive Brechkraft aufweist, folgt
eine axial bewegliche Linse oder Linsengruppe nach, welche eine
negative Brechkraft aufweist. Jener Linse oder Linsengruppe folgt
eine axial bewegliche Linse oder Linsengruppe, welche eine positive Brechkraft
aufweist, und eine axial feststehende Linse oder Linsengruppe, welche
eine positive Brechkraft aufweist, nach, wobei die Brechkraft dieser
zweiten feststehenden Linsengruppe vorzugsweise jene der ersten feststehenden
Linsengruppe übersteigt
und vorzugsweise mindestens das Dreifache von jener der ersten Linsengruppe
ausmacht. Diese Brechkraftverteilung wird in der zuvor erwähnten, sehr
geringen, im Vergleich zur Größe des Objekts,
Bildhöhe
am Ort des Zwischenfeldbildes 27 widergespiegelt. Ebenfalls
auffallend ist, daß die
Brechkraftleistungen jeder der beweglichen Linsen 31 und 32 jene
der feststehenden Linsen oder Linsengruppen übersteigen, insbesondere das
Doppelte der Brechkraftleistungen der letzteren ausmachen, was einen
großen
Teil des optischen Einflusses in den Nahbereich der beweglichen
Linsen konzentriert, welcher seinerseits beim Erzielen großer Variationen
in der Bildgröße für kurze
Verfahrensweglängen
der beweglichen Linsen unterstützend
wirkt. Die Brechkraftleistungen jeder der beweglichen Linsen 31 und 32 übersteigen
die Brechkraft des gesamten Systems und können insbesondere sogar zehn-
oder zwölfmal
so groß sein,
wie die Brechkraft des letzteren, was auch in der günstigen
Konzentration des optischen Einflusses im Nahbereich der beweglichen
Linsen für
kurze Verfahrensweglängen
widergespiegelt ist.
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Diese
Brechkraftverteilung ist qualitativ ungefähr symmetrisch in bezug auf
den Mittelpunkt der Zoomsystemachse, was das Erzielen einer relativ "laxen" Strahlführung in
seiner Optik erlaubt, was unter anderen Gründen aus der Tatsache hervorgeht,
daß der
maximale Einfallswinkel i für
die Strahlung, welche auf eine optische Oberfläche des Zoomsystems auftrifft,
44° (sin
i < 0,69) oder
weniger für
eine beliebige Zoomposition beträgt,
wobei der "Einfallswinkel" als der Winkel zwischen
der Richtung des Einfalls eines Lichtstrahls und der örtlichen
Normale zu einer optischen Oberfläche am Einfallspunkt definiert
ist. Diese geringen Einfallswinkel sind für das Vermeiden von Abbildungsfehlern
günstig
und wichtiger noch, erlauben wirkungsvoll ein Anti-Reflektions-Beschichten
der optischen Oberflächen
der Linsen, wobei geeignete Anti-Reflektionsbeschichtungen eingesetzt
werden können,
welche das Steigern der Durchlässigkeit
des Gesamtsystems und das Ausschließen von Streulicht erlauben.
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Diese
relativ "laxe" Strahlführung ist
ebenfalls aus den Brennweiten des Systems ersichtlich. Im Falle der
gezeigten Ausführungsform
beträgt
die Brennweite des Zoomsystems f1 = 308
mm für
die Zoomposition, welche den minimalen Bilddurchmesser (Zoomposition
1) erbringt, und f2 = 2031 mm für die Zoomposition,
welche den maximalen Bilddurchmesser (Zoomposition 6) erbringt,
was mit einer Bedingung bei Brennweiten übereinstimmt, welche die Brennweite
f1, die den minimalen Bilddurchmesser erbringt,
mit der Brennweite f2, die den maximalen
Bilddurchmesser erbringt, und die Gesamtlänge (OL) des Systems in Beziehung
setzt, was als besonders günstig
erkannt worden ist, und gemessen daran, ist es besonders günstig, wenn
jene Gesamtlänge
f1 übersteigt,
insbesondere mindestens dreimal f1 ist,
und/oder wenn jene Gesamtlänge
kürzer
als f2 ist, insbesondere weniger als die
Hälfte
von f2 ist.
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Die
erste Linse 30 ist so angebracht, daß sie entlang gemeinsamer orthogonaler
Achsen zur optischen Achse 3 umpositioniert wird. Das Zoomsystem
ist so konstruiert, daß als
eine erste Annäherung
das Dezentrieren dieser ersten Linse aus der optischen Achse bloß einen
Versatz des Bildfeldes mit sich bringen wird. Typische Dezentrierungen
könnten
im Bereich von Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren Millimetern liegen.
Dieses Dezentrieren kann zum Verringern oder zur vollen Kompensation
für Versetzungen
des Bildfeldes auf Grund von, zum Beispiel, Toleranzen in den optischen
Elementen und/oder ihrer Anbringung dienen. Die erste Linse 30 ist
auch nahe der Objektebene 6 angeordnet, mit einem Abstand
davon, welcher 15% oder weniger der Gesamtlänge des Zoomsystems entspricht,
was beides dabei hilft, den Raum zwischen dem optischen Netzgitterelement 5 und
dem Zoomsystem 7 zu säubern,
wobei Gas-Ausblasen eingesetzt wird, und das Korrigieren von Aberrationen,
insbesondere von sphärischen
Aberrationen, was eine Energieverteilung in der Bildebene verlangt,
die enge Grenzzonen aufweist, vereinfacht. Das Zoomsystem kann angepaßt werden, um
für die
Beleuchtungsdichteverteilung an seinem Objektende geeignet zu sein,
z. B. seiner Feldgröße, Feldform,
numerischen Apertur und den Richtungen seiner Hauptstrahlen. Insbesondere
die grundsätzliche
Lehre, welche dem Zoomsystem zu Grunde liegt, bleibt unverändert, wenn
die telezentrische Beleuchtungsdichteverteilung auf seiner Objektebene
durch eine gleichförmige
Beleuchtungsdichteverteilung ersetzt wird.
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Die
Erfindung umfaßt
auch ein Verfahren zum Verändern
der Beleuchtungsdichteverteilung auf der Bildebene 8 ohne
Verändern
der Positionen der Linsen des Zoomsystems. Es hat sich herausgestellt,
daß Neigen und/oder
Dezentrieren der Beleuchtungsdichteverteilung des Lasers am Eintrittsende
des Zoomsystems zum Einstellen eines konstanten Bildversatzes und
einer konstanten Winkelneigung der Beleuchtungsdichteverteilung
auf der Bildebene des Zoomsystems ausgenützt werden kann, unabhängig von
der involvierten Zoomposition. Als "Neigen" ist hierin Veränderung des Winkels der Ausbreitungsrichtung
des Laserstrahls relativ zur optischen Achse des Beleuchtungssystems
definiert. "Dezentrieren" der Beleuchtungsdichteverteilung
am Eintrittsende des Zoomsystems ist als das Versetzen dieser Beleuchtungsdichteverteilung
entlang einer Richtung orthogonal zur optischen Achse definiert.
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Verstellen
oder neuerliches Anpassen der Konvergenz/Divergenz der Laserstrahlung,
welche in die Beleuchtungsvorrichtung eintritt, anstelle oder zusätzlich zu
jenem Neigen und/oder Dezentrieren erlaubt das Verändern der
axialen Anordnung (Position entlang der z-Achse) der Bildebene für eine gegebene
Zoomposition. Diese Umstellung des Ortes der Bildebene 8 entlang
der z-Achse durch Variieren der Konvergenz/Divergenz der einfallenden
Laserstrahlung, die hier vorgeschlagen wird, kann zum Anpassen oder
Einstellen des axialen Ortes der Bildebene 8 des Zoomsystems
ausgenutzt werden. Die Konvergenz/Divergenz der Laserstrahlung,
welche am Zoomsystem auftrifft, kann variiert werden durch, zum
Beispiel, Einschieben und/oder Bewegen optischer Elemente in den
Strahlpfad vor dem Zoomsystem, zum Beispiel, Einschieben und/oder
Bewegen von Linsen und/oder Verstellen der Strahldivergenz mit Verwendung
der Strahlaufweitungsvorrichtung 4, welche vorsehen lässt, daß die Hauptstrahlen
der Laserstrahlung nicht länger
praktisch parallel zueinander sind, sondern konvergieren, was den
Ort einer nahezu punktartigen Lichtquelle von unendlich auf einen
endlichen Abstand weg verschiebt. Diese Einführung von Konvergenz/Divergenz
muß von
der Einführung
einer Blende, welche ein DOE oder Ähnliches verwendet, was eine
Apertur oder eine winkelige Beleuchtungsdichteverteilung für gegebene, örtlich unveränderte Hauptstrahlen
einführt,
unterschieden werden. Dieses Verfahren ist zum Beispiel zum Korrelieren
der Positionen der Bildebenen 8 für die verschiedenen Zoompositionen eingebauter
Zoomlinsen nützlich,
ohne daß strukturelle
Veränderungen
am Zoomsystem vorgenommen werden müssen. Zum Beispiel versetzt
das Variieren der Richtungen der Hauptstrahlen des einfallenden
Laserstrahls um 0,1 mrad für
eine gegebene Zoomposition die Bildebene 8 axial um ungefähr 10 mm
(für Zoomposition
1) und um so viel wie 500 mm (für
Zoomposition 5), was Versetzungen im Bereich von 1% bis 50% der Gesamtlänge des
Zoomsystems entspricht. Der Ort der Bildebene im Zusammenhang mit
der Zoomposition, die den größten beleuchteten
Bereich ergibt, kann folglich variiert werden, praktisch unabhängig von
der Position der Bildebene, die den kleinsten beleuchteten Bereich
ergibt. Dieses Verfahren kann auch bei anderen Beleuchtungsvorrichtungen
angewendet werden, unabhängig
vom Typ des involvierten Zoomsystems.
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Die
Erfindung wurde auf der Grundlage eines Zoomsystems für eine Beleuchtungsvorrichtung
eines Mikrolithographie-Projektionssystems beschrieben. Jedoch ist
die Erfindung nicht auf jene Anwendung beschränkt. Zoomsysteme gemäß der Erfindung
können
als Abbildungssysteme, zum Beispiel als fotografische Zoomlinsen,
eingesetzt werden. In Übereinstimmung
mit ihrer Anwendung in Verbindung mit einem Beleuchtungssystem,
welches hier beschrieben wurde, ist die Qualität dieser Systeme durch die
Gleichförmigkeit
ihrer Beleuchtungsdichteverteilung, ihrer Randbreite, ihrer Telezentrizität usw. gekennzeichnet.
Diese Eigenschaften sind direkt identisch zu den Abbildungsfehlern,
welche ihre Abbildungsoptiken kennzeichnen. Zum Beispiel die Gleichförmigkeit
ihrer Beleuchtungsdichteverteilung ist identisch zur Verzerrung,
d. h. zur Bildverzerrung. Ihre Randbreite entspricht der Schärfe ihrer
Bilder oder der räumlichen
Auflösung
ihrer Abbildungsoptik. Im Falle der Abbildungssysteme ist Telezentrizität nur dann
ein wesentliches Erfordernis, wenn der Detektor, zum Beispiel eine
lichtempfindliche Schicht, die in ihrer Bildebene angeordnet ist,
unterschiedlich auf Licht reagiert, welches von unterschiedlichen
Einfallsrichtungen herrührt.
Ihre Freiheit von Eckenabschattung ist identisch zu gleichmäßiger Beleuchtung über ihr
Bildfeld, in welcher ein Film, der belichtet werden soll, angeordnet
ist. Tabelle 1
| Oberfläche Nr.. | r
(mm) | d
(mm) | h
(mm) |
| F1 | 0,0 | 144,29 | 16,50 |
| F2 | 376,148 | 8,00 | 20,41 |
| F3 | –484,148 | 307,053 | 20,40 |
| F4 | –64,925 | 4,00 | 12,15 |
| F5 | 93,605 | 5,10 | 12,46 |
| F6 | 52,433 | 21,00 | 25,46 |
| F7 | –59,443 | 317,642 | 25,38 |
| F8 | –2538,89 | 23,00 | 46,76 |
| F9 | –89,597 | 240,065 | 48,88 |
| F10 | 800,00 | 40,00 | 56,33 |
| F11 | 0,0 | 110,00 | 56,07 |
Tabelle 2
| Oberfläche Nr. | Konizitäts -konstante
k | C1 | C2 | C3 | C4 |
| F6 | –0,50178 | –2,3893
e-06 | –1,02488
e-09 | 7,7479
e-13 | –1,0364
e-16 |
| F9 | 1,32194 | 2,4680
e-07 | 1,4767
e-10 | –4,4164
e-14 | 1,667
e-17 |
Tabelle 3
| Oberfläche Nr. | Zoom-Pos. 1 | Zoom-Pos. 2 | Zoom-Pos. 3 | Zoom-Pos. 4 | Zoom-Pos. 5 | Zoom-Pos. 6 |
| F3 | 307,05 | 358,51 | 362,07 | 352,29 | 345,10 | 338,04 |
| F5 | 5,10 | 24,12 | 46,02 | 67,84 | 79,15 | 89,34 |
| F7 | 317,64 | 247,17 | 221,70 | 209,66 | 205,55 | 202,42 |