WO2005083512A2 - Beleuchtungssystem für eine mikrolithographie-projektionsbelichtungsanlage - Google Patents

Beleuchtungssystem für eine mikrolithographie-projektionsbelichtungsanlage Download PDF

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WO2005083512A2
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Damian Fiolka
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Carl Zeiss Smt Ag
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    • G03F7/702—Reflective illumination, i.e. reflective optical elements other than folding mirrors, e.g. extreme ultraviolet [EUV] illumination systems

Definitions

  • the invention relates to an illumination system for a microlithography projection exposure system for illuminating an illumination field with the light of a primary light source.
  • the performance of projection exposure systems for the microlithographic production of semiconductor components and other finely structured components is essentially determined by the imaging properties of the projection objectives.
  • the image quality and the wafer throughput that can be achieved with a system are largely determined by the properties of the lighting system upstream of the projection lens. This must be able to transform the light of a primary light source, for example a laser, with as high an efficiency as possible into an intensity distribution of a secondary light source that is favorable for optical projection, and to generate the most uniform possible intensity distribution in an illumination field of the lighting system.
  • a primary light source for example a laser
  • the specification requirements for the lighting should be met equally for all lighting modes, for example with conventional settings with different degrees of coherence or with ring field, dipole or quadrupole lighting.
  • These lighting modes are optionally set to optimize the lighting according to the structures of the individual templates (masks) to be displayed.
  • An increasingly important requirement for lighting systems is that they should be able to output light for the Provide illumination of a mask (reticle) with a polarization state that can be defined as precisely as possible.
  • a mask reticle
  • linearly polarized input light for example, catadioptric projection lenses with polarization beam splitters (beam splitter cube, BSC) can work with a high transmission efficiency.
  • beam splitter cube, BSC beam splitter cube
  • a high degree of uniformity or homogeneity of the illumination falling on the photomask (reticle) can be achieved by mixing the light coming from the light source with the aid of a light mixing device.
  • light mixing devices a distinction is essentially made between light mixing devices with honeycomb condensers and light mixing devices with integrator bars or light mixing bars. These systems have specific advantages and disadvantages.
  • Systems with integrator bars are characterized by a superior transmission efficiency. They often work with unpolarized input light, which is advantageous for imaging, for example with regard to the structural directional dependence of the resolution or problems with the generation of microscopic intensity maxima (speckies) caused by self-interference of the laser light.
  • a disadvantage of these light mixing systems is that they change a given polarization state of the input light.
  • Systems with honeycomb condensers generally require diaphragms to block out some of the light energy that passes through them, for example in order not to impair the uniformity of the lighting. Apertures in such systems often also serve to achieve annular lighting or polar lighting (eg dipole or quadrupole lighting) by blanking out part of the light intensity.
  • Systems with honeycomb condensers for mixing light are generally also sensitive to the generation of the speckle effects mentioned, which lead to non-uniform illumination on a microscopic scale.
  • a honeycomb condenser in the sense of this application has at least one raster arrangement of optical raster elements (honeycomb) in order to form a number of light bundles corresponding to the number of illuminated raster elements, which are spatially separated from one another, from a light bundle falling on the raster arrangement. If the light from extensive light sources is to be homogenized and adapted to a specific field shape, a multi-stage structure is required.
  • a grid arrangement of first grid elements generates a grid arrangement of secondary light sources from the incident light, the number of which corresponds to the number of illuminated first grid elements.
  • the shape of the first raster elements should essentially correspond to the shape of the field to be illuminated. They are therefore also called field honeycombs.
  • a subsequent raster arrangement of second latching elements serves to map the first raster elements into the illumination area in which the illumination field is created and thereby the light of the superimpose secondary light sources in the lighting field.
  • the second raster elements are often referred to as pupil honeycombs.
  • the first and second raster elements are usually assigned to one another in pairs and form a number of optical channels, the different light intensities of which are superimposed in the lighting field in the sense of homogenizing the intensity distribution.
  • Patent EP 0 949 541 A2 shows examples of lighting systems in which different multipole lighting modes can be set with the aid of different diffracted optical elements in combination with axicons and zoom elements, in which at least one spatial parameter can be varied continuously.
  • This lighting system includes a honeycomb condenser is used as a light mixing device.
  • the invention has for its object to provide an illumination system for a microlithographic projection exposure system, which has a largely polarization-maintaining light mixing device and is designed to generate an essentially homogeneous light distribution in a field plane of the illumination system.
  • the lighting system should be characterized by high transmission (little loss of light) and a simple structure.
  • the invention provides a lighting system with the features of claim 1.
  • Advantageous further training are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated by reference into the content of the description.
  • An illumination system is intended to be suitable for use in a microlithography projection exposure system and is used to illuminate an illumination field arranged in an illumination surface of the illumination system with the light from a primary light source.
  • This normally flat illumination surface is generally a field level of the illumination system and, when the illumination system is installed, can be optically conjugated to the object plane of the projection lens or correspond to this plane.
  • a laser operating in the ultraviolet range can be used as the primary light source, for example, which provides a working wavelength of 248 nm, 193 nm, 157 nm or below. Other light sources and / or shorter or longer wavelengths are also possible.
  • the lighting system comprises several optical systems arranged along its optical axis.
  • a light distribution device serves to receive light from the primary light source and to generate a two-dimensional intensity distribution that can be predetermined by the configuration of the light distribution device from the light of the primary light source in a first surface of the lighting system.
  • a first raster arrangement with first raster elements serves to receive the spatial, two-dimensional intensity distribution and to generate a raster arrangement of secondary light sources, which are images of the primary light source.
  • the number of secondary light sources corresponds to the number of illuminated first raster elements.
  • a second raster arrangement with second raster elements serves to receive the light from the secondary light sources and to at least partially overlay it in the illumination field. This achieves homogenization or homogenization of the lighting intensity in the lighting field.
  • the second raster arrangement is arranged in the region of a pupil surface of the lighting system.
  • This pupil Len surface can be optically conjugated with a built-in lighting system to a pupil plane of a subsequent projection lens, so that the light distribution in the pupil surface of the lighting system essentially determines the light distribution in the pupil of the projection lens.
  • the light distribution device comprises at least one diffractive optical element for generating an angular distribution, the far field of which has separate or connected luminous zones which are matched in shape and size to the shape and size of the first raster elements of the first raster arrangement.
  • the distribution of the lighting zones on the first raster arrangement is essentially adapted to the shape of the desired exit light distribution, the edge of the distribution having a raster that is predetermined by the shape and size of the raster elements.
  • Diffractive optical elements suitable for use in light distribution devices can be designed for use in transmission or in reflection and can be produced with little effort.
  • the diffractive optical element is designed to set a two-dimensional intensity distribution in the first area such that all first raster elements belonging to a predetermined exit light distribution are essentially completely illuminated by the intensity distribution, while first raster elements not contributing to the exit light distribution remain essentially unilluminated. This ensures particularly even illumination of the lighting tion field achievable.
  • the spatial intensity distribution behind the second raster arrangement is referred to here as the exit light distribution.
  • the diffractive optical element is designed such that the lighting zones produce an approximately circular, approximately annular, or approximate dipole or multipole intensity distribution with a grid on the first grid elements of the first surface that corresponds to the shape and size of the first grid elements.
  • Such illumination of the first surface enables, for example, exit light distributions with approximately circular intensity distributions of different diameters or degrees of coherence, approximately ring-shaped intensity distributions with different ring widths and / or different radii, or approximately polar intensity distributions with, for example, two or four symmetrically or asymmetrically distributed with respect to the optical axis of the system lighting priorities.
  • no variably adjustable optical component in particular neither an adjustable axicon system nor a zoom device, is arranged between the primary light source and the first raster arrangement.
  • the at least one diffractive optical element is therefore used exclusively to generate the two-dimensional intensity distribution in the first surface of the lighting system.
  • the light distribution device comprises an exchange device for exchanging a first diffractive optical element for generating a first, two-dimensional intensity distribution for at least a second, diffractive optical element for generating a second, two-dimensional intensity distribution, which differs from the first intensity distribution.
  • the changing device can be designed, for example, as a linear changer or as a rotary changer.
  • Different lighting modes can be set variably by exchanging diffractive optical elements. For example, it is possible to variably set different degrees of coherence ( ⁇ value).
  • the degree of coherence is defined as the ratio of the numerical aperture of the lighting system to the numerical aperture of a subsequent projection lens.
  • the diffractive optical elements required to generate these modes can be provided in the lighting system, so that the user does not incur any additional costs due to unnecessary diffractive elements or elaborately constructed variable optical systems.
  • the design of the diffractive optical elements provided in a lighting system can be tailored to the needs of the user.
  • the diffractive optical element has two or more differently structured sub-ranges, which can be introduced into the beam path of the lighting system to generate a number of different two-dimensional light distributions corresponding to the number of sub-areas.
  • Diffractive optical elements with several sub-areas for setting different lighting modes are e.g. described in EP 1 109 067 A2.
  • the diffractive optical element is designed in such a way that at least one lighting zone completely illuminates at least one raster element.
  • the diffractive optical element is designed in such a way that at least one lighting zone completely illuminates at least one raster element.
  • complete illumination of raster elements by means of lighting zones it is possible, for example when generating a circular or ring-shaped intensity distribution, to cover those raster elements with illuminating light which contribute to the distribution of exit light. wear.
  • the grid of the edge of the light distribution in the first area is predetermined by the shape of the grid elements.
  • the diffractive optical element is configured in such a way that at least one lighting zone illuminates at least one raster element with the exception of a narrow edge area with maximum beam power.
  • the border areas between the raster elements are not illuminated or only with a greatly reduced intensity, so that these areas, also referred to as dead zones, cannot contribute to light loss or stray light formation in this case.
  • the primary light source is a laser, which has a divergence DL in at least one plane containing the light travel direction of the light.
  • a maximum divergence of the diffractive optical element in the plane is D ma ⁇ .
  • a number n of the raster elements of the first raster arrangement for generating a homogenization effect is predetermined such that a defined, effective transmittance T of the radiation incident on the first raster element does not fall below becomes.
  • the “effective transmittance” T is defined here as the ratio of the radiation component which strikes a first raster element with flattop intensity to the total radiation impinging on the raster element.
  • the flattop intensity is the mean intensity in the flattop range, which as a rule
  • the effective transmittance T therefore relates the usable light component that can be used for the lighting to the sum of the useful light component and a light component to be rejected, which should not be used for the illumination if homogeneous lighting is desired "takes into account that part of the radiation emitted by the raster element may have to be used in order to achieve a light distribution with the desired homogeneity.
  • grid elements of the same type are used, so that the effective transmittance of each individual raster element is essentially identical and corresponds to the effective transmittance of the raster arrangement.
  • Divergence is the half opening angle that the beam spans in the plane containing the direction of light travel.
  • Ü Ma x denotes the angle between the optical axis and the marginal ray that strikes the outermost edge of the first raster elements furthest away from the optical axis.
  • the homogenization effect of the honeycomb condenser depends on the number n of grid elements that contribute to the superposition at the field level. The better the homogeneity of the illuminating light should be, the more grid elements are usually required. On the other hand, an edge area is generated by each raster element, which causes a decrease in the intensity of the illuminating light. A compromise must therefore be found between a target value for the effective transmittance of the honeycomb condenser and the homogeneity of the illuminating light. For a given number n of raster elements, the effective transmission degree T of the raster elements can be determined with the help of the sizes DL and D Ma ⁇ . This should not fall below a certain value, e.g. approx. 70% or 80%.
  • the diffractive optical element is designed as a computer-generated hologram (CGH).
  • CGH computer-generated hologram
  • Such elements can generate an angular distribution that is advantageously adapted to the shape and size of the grid elements of the first grid arrangement.
  • the surface structure of the element to be manufactured is calculated using iterative algorithms with the specification of a target angle distribution and the surface structure, e.g. with a microlithographic process.
  • the raster elements of the first and / or the second raster arrangement are designed as micro- lenses formed.
  • the shape of the lenses of the first raster arrangement is adapted to the shape of the illumination field, rectangular shapes being preferred.
  • rectangular microlenses with a high aspect ratio between width and height can be provided.
  • a shading diaphragm is provided in the vicinity of the lighting surface or in the vicinity of a plane conjugate to this to produce a sharp edge (light-dark transition) of the intensity distribution.
  • the shading diaphragm and its position are designed so that it cuts off or hides the part of the intensity distribution in which the intensity is not constant (edge).
  • At least one Fourier lens arrangement is arranged between the diffractive optical element and the first raster arrangement.
  • the Fourier lens arrangement which can comprise one or more lenses, serves to convert the angular distribution generated by the diffractive optical element into a spatial distribution in a field plane behind the Fourier lens arrangement.
  • the far field of the diffractive optical element is thus brought by the Fourier lens arrangement from an infinite plane into the focal plane of the Fourier lens arrangement. This enables compact designs to be realized.
  • the invention also relates to a method for producing semiconductor components and other finely structured components, in which a reticle arranged in an object plane of a projection objective is illuminated with the light of a primary light source with the aid of an illumination system designed according to the invention, and an image of the reticle on a light-sensitive one Substrate is generated; wherein for illuminating the reticle, the diffractive optical element has a two-dimensional intensity distribution in the form of Luminous zones are generated on the first surface of the lighting system, the spatial distribution of which essentially corresponds to the shape of a predeterminable exit light distribution.
  • the lighting modes of the lighting system are changed exclusively by exchanging the diffractive optical element and / or by optionally introducing differently structured partial areas of the diffractive optical element into the beam path of the lighting system. It is thus possible in this development to completely dispense with adjustable components such as axicon systems or zoom devices in order to set lighting modes.
  • FIG. 1 schematically shows an embodiment of an illumination system according to the invention for a microlithography projection exposure system with a first and a second raster arrangement
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the first raster arrangement from FIG. 1 with an essentially circular intensity distribution with separated lighting zones
  • FIG. 3 schematically shows a greatly simplified illustration of the lighting system from FIG. 1 to illustrate the intensity curve provided by the diffractive optical element on the first raster arrangement and on the illumination field,
  • FIG. 4 shows a diagram to illustrate the intensity curve on the illumination field
  • FIG. 5 shows a schematic top view of the first raster arrangement from FIG. 1 with an essentially circular intensity distribution with connected lighting zones.
  • FIG. 1 shows an example of an illumination system 10 of a microlithographic projection exposure system, more precisely a wafer scanner, which can be used in the production of semiconductor components and other finely structured components and for achieving resolutions up to fractions of a micrometer with light from the deep ultraviolet range works.
  • the scanning direction of the wafer scanner (y direction) runs perpendicular to the plane of the drawing.
  • An F 2 laser with a working wavelength of approximately 157 nm serves as the primary light source 1 1, the light beam of which is aligned coaxially with the optical axis 12 of the lighting system.
  • Other UV light sources for example ArF excimer lasers with a working wavelength of 193 nm, KrF excimer lasers with a working wavelength of 248 nm and primary light sources with larger or smaller working wavelengths are also possible.
  • the light beam coming from the laser with a small rectangular cross-section first strikes a beam expansion optics 13 which generates an emerging beam 14 with largely parallel light and a larger rectangular cross-section.
  • the "largely parallel light” has a low laser divergence, which is smaller by the expansion factor of the beam expansion optics than the divergence of the incident beam.
  • the beam expansion optics can contain elements which serve to reduce the coherence of the laser light
  • Parallelized laser light then strikes a diffractive optical element 21, which is designed as a computer-generated hologram for generating an angular distribution.
  • the angular distribution generated by the diffractive optical element 21 is converted into a two-dimensionally location-dependent intensity distribution when it passes through a Fourier lens arrangement 23, which is positioned at the focal length of the diffractive optical element.
  • the intensity distribution thus generated is therefore present on a first surface 25 of the lighting system.
  • the entry surface of a first raster arrangement 35 with first raster elements 36 which are designed as microlenses with positive refractive power and a rectangular cross section with a large aspect ratio between width and height, is located in the vicinity of or coincident with the first surface 25 (see FIG. 2).
  • the rectangular shape of the microlenses 36 corresponds to the rectangular shape of the field to be illuminated (the scanner field of a wafer scanner), which is why the first raster elements are also referred to as field honeycombs 36.
  • the first grid elements 36 are directly adjacent to one another in a rectangular grid (Cartesian grid) corresponding to the rectangular shape of the field honeycombs, i.e. arranged essentially filling.
  • the diffractive optical element 21 has the effect that the light incident on the first surface 25 is divided into a number of rectangular lighting zones 70 corresponding to the number of individual lenses 36 to be illuminated, which are focused according to the refractive power of the microlenses 36 in the respective associated focal areas thereof. This results in a number of secondary light sources corresponding to the number of illuminated lenses 36, which are arranged in a grid arrangement. The individual positions of the secondary light sources are determined by the respective focus positions of the individual lenses 36.
  • a second raster arrangement 40 with second raster elements 41 is arranged at a distance behind the first raster arrangement 35, which in the case of the example are likewise designed as microlenses with a positive refractive power.
  • the second raster elements are also referred to as pupil honeycombs and are arranged in the region of a second surface 45 of the illumination system, which is a Fourier-transformed plane to the first surface 25.
  • the second surface 45 is a pupil plane of the illumination system and, in the case of an illumination system installed in a projection exposure system, is optically conjugated to a pupil plane of the projection object whose object plane (reticle plane) is illuminated with the aid of the illumination device.
  • the second raster elements 41 are arranged in the vicinity of the respective secondary light sources and, via a downstream, zoomable field lens 47, image the field honeycombs 36 into an illumination surface 50 of the illumination system, in which the rectangular illumination field 51 is located.
  • the rectangular images of the field honeycombs 36 are at least partially overlaid in the area of the illumination field 51. This superimposition brings about a homogenization or homogenization of the light intensity in the area of the illumination field 51.
  • the raster elements 35, 40 assume the function of a light mixing device 55, which serves to homogenize the lighting in the lighting field 51 and which is the only light mixing device of the lighting system.
  • the illumination surface 50 in which the illumination field 51 is located, is an intermediate field level of the illumination system, in which a reticle masking system (REMA) 60 is arranged, which serves as an adjustable shading diaphragm for producing a sharp edge of the intensity distribution.
  • the subsequent objective 65 images the intermediate field level with the masking system 60 onto the reticle (the mask or the lithography template), which is located in the reticle level 69 located.
  • the structure of such imaging lenses 65 is known per se and is therefore not explained in more detail here. There are also embodiments without such an imaging system; in these, the illumination surface 50 can coincide with the reticle plane (object plane of a subsequent projection objective).
  • the lighting system 10 it is possible in a simple manner to provide different lighting modes by exchanging the diffractive optical element 21 with a diffractive optical element with a different radiation characteristic by means of a changing device 20 designed as a linear changer in order to generate different, respectively predeterminable light distributions is provided in the changing device 20.
  • a diffractive optical element 22 provided for exchange is shown by way of example in the interior of the linear changer 20.
  • diffractive optical elements e.g. different degrees of coherence ( ⁇ gradations), e.g. between 0.05 and 0.1.
  • this lighting system forms a projection exposure system for the microlithographic production of electronic components, but also of diffractive optical elements and other microstructured parts.
  • a narrow strip typically a rectangle with an aspect ratio of 1: 2 to 1: 8
  • the whole is scanned structured field of a chip illuminated serially.
  • Use in wafer steppers is also possible, in which the entire structured surface corresponding to a chip is illuminated as evenly and as sharply as possible.
  • the first raster arrangement 35 consists of a square arrangement with a total of 91 rectangular microlens elements (first raster elements) 36, which are arranged directly adjacent to one another or one above the other and fill the square area without gaps.
  • the rectangular shape of the raster elements 36 with an aspect ratio between width and height of approximately 4: 1 corresponds to the rectangular shape of the field 51 to be illuminated.
  • those raster elements are highlighted which are illuminated by the diffractive optical element 21 in order to produce an approximately circular exit light distribution and on which a lighting zone 70 is therefore generated during operation of the lighting system.
  • Each individual illuminated raster element is hit by the illuminating radiation except for an edge region 71 with maximum radiation intensity, so that the lighting zones 70 of the intensity distribution are not connected.
  • the illumination of the edge regions 71 of the microlenses By dispensing with the illumination of the edge regions 71 of the microlenses, light losses can be avoided which arise from the absorption of illuminating radiation or light scattering in these edge regions, which are also referred to as dead zones.
  • FIG. 3 schematically shows a highly simplified embodiment of an illumination system for illustrating the intensity curve provided by the diffractive optical element on the grid arrangement and on the illumination field of the illumination system of FIG. 1.
  • the components of the illumination system of FIG. 1 that are relevant for this illustration are shown in Fig. 3 with a hundred reference numerals.
  • the angular distribution generated by the diffractive optical element 121 is folded with the laser divergence and flattens the steep-sided angular distribution generated by it, so that the intensity profile of the luminous zones 200 generated on the raster elements also has flanks whose width is 1 mrad.
  • the laser divergence or the divergence of the expanded radiation (here: 1 mrad) relates here to a spatial expansion in the pupil plane (location of the raster element).
  • the extent of the flank thus scales with the focal length of the lens 123.
  • angle dimensions can be converted 1: 1 into length dimensions, so that the divergence values correspond to length values, which will be used in the following.
  • the flanks caused by the laser divergence create a trapezoidal intensity curve on the luminous zones 200 with a plateau 203 of constant intensity and two flanks 202, 204 with a linearly decreasing intensity (top hat distribution).
  • the trapezoidal intensity profile of the lighting zones 200 is also found on the illumination field 151 due to the overlapping by the light distribution device 155.
  • FIG. 4 shows a diagram to illustrate the intensity curve on the illumination field perpendicular to the scanning direction (x direction). This is formed symmetrically to the optical axis 112 with a first, largely linearly rising edge 202, a plateau 203 ideally constant light intensity I max and a second, linearly falling edge 204.
  • the intensity which is normally not constant in the plateau region, is referred to here as “flattop intensity”.
  • the intensity distribution 201 should have a constant intensity over the entire illumination field 151 (plateau), which should be as narrow as possible at the edges of the illumination field (flank ) drops to zero (top hat distribution). Since the intensity curve does not drop steeply enough, cuts To produce sharp edges, an aperture 156 shown in FIG.
  • the light mixing device 155 should enable the best possible homogenization of the illuminating radiation. As a rule, this is the better, the more grid elements 136, 141 contribute to the overlay. The area that is illuminated on a single raster element with maximum beam power is smaller, the more raster elements are available, since the narrower the raster elements, the more unfavorable (larger) the ratio between (divergence-related) flank width and plateau width is. It is therefore necessary to find a compromise between homogeneity, due to the number of raster elements, and effective transmittance of the illuminating radiation, limited by the need to mask out flank portions.
  • the double maximum divergence of the diffractive optical element 2 Di i a x (full aperture angle), which in the case considered here is approximately 60 mrad, is divided by the number of raster elements.
  • the width of the region ⁇ max illuminated with maximum intensity corresponds to the width of the illumination field 151 in the x direction, that is to say the part of the illumination surface 150 that is not cut off from the diaphragm 160.
  • the total radiation S that strikes the illumination surface 150 per unit of time results as an integral over the intensity, ie as the surface that lies below the intensity distribution of FIG. 4.
  • an effective transmittance of more than 80% can be achieved, as proves to be a laser divergence DL between 0.5 and 1 mrad and a maximum divergence of the diffractive element D max of 30 mrad, a number of the raster elements of the first grid arrangement between 10 and 22 as a good compromise between the effective transmittance of the honeycomb condenser and its homogenizing effect.
  • FIG. 5 shows a schematic top view of the first raster arrangement from FIG. 1 with a coherent, essentially circular intensity distribution.
  • the part of the raster elements 36 provided for generating the exit light distribution is covered by lighting centers 72 which are illuminated without gaps.
  • Such an illumination is not optimal for the transmission if steep flanks of the illumination field 151 are required, since a higher proportion of the illumination light is lost when the masking is carried out than in the example shown in FIG. 2.
  • the radiation exposure of the material of the raster elements is lower in this case. It is also possible to fill only the gaps in the y direction (scanning direction), but to leave the gaps in the x direction perpendicular thereto, as shown in FIG. 2, unilluminated. This variant is shown in dashed lines in FIG. 5.
  • a corresponding diffractive optical element would thus produce a stripe pattern with stripe-shaped intensity areas (light zones) running continuously in the y-direction, between which there are small distances in the x-direction.
  • a coarse grid in the radial direction was achieved.
  • a field honeycomb plate and / or a pupil honeycomb plate can also contain significantly more than the raster elements shown, for example more than 20 or more than 50 or more than 100 or more than 200-500 raster elements. In this way, a fine rasterization of the generated intensity distributions can be achieved which is adapted to the requirements.
  • the invention was explained on the basis of exemplary embodiments in which all the raster elements lenses consist of a material which is transparent to the light of the working wavelength, for example calcium fluoride.
  • the grid arrangements 35, 40 can also be formed by mirrors or diffractive structures. This means that suitable lighting systems can be provided for EUV.
  • diffractive optical elements Although it is usually sufficient to set the lighting modes by changing diffractive optical elements or several sub-areas of a diffractive optical element, it may be appropriate in certain cases to provide additional adjustable optical elements between the primary light source and the first raster arrangement.

Abstract

Ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage hat eine Lichtverteilungseinrichtung (21), die aus dem Licht einer primären Lichtquelle, beispielsweise eines Lasers, in einer ersten Fläche (25) des Beleuchtungssystems eine zweidimensionale Intensitätsverteilung erzeugt. Ein Wabenkondensor (55) mit einer ersten und einer zweiten Rasteranordnung (40) optischer Elemente dient als Lichtmischeinrichtung zur Homogenisierung der Beleuchtung im Beleuchtungsfeld des Beleuchtungssystems. Der Wabenkondensor hat eine erste Rasteranordnung (35) erster Rasterelemente (36) sowie eine zweite Rasteranordnung (40) zweiter Rasterelemente (41). Die Lichtverteilungseinrichtung umfasst mindestens ein diffraktives optisches Element (21) zur Erzeugung einer Winkelverteilung, deren Fernfeld getrennte oder zusammenhängende Leuchtzonen aufweist, die auf die Form und Grösse der ersten Rasterelemente (36) abgestimmt sind.

Description

Beleuchtunqssvstem für eine Mikrolithoqraphie- Proiektionsbelichtunqsanlaαe
Die Erfindung bezieht sich auf ein Beleuchtungssystem für eine Mikro- lithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes mit dem Licht einer primären Lichtquelle.
Die Leistungsfähigkeit von Projektionsbelichtungsanlagen für die mikrolithographische Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen wird wesentlich durch die Abbildungseigenschaften der Projektionsobjektive bestimmt. Darüber hinaus werden die Bildqualität und der mit einer Anlage erzielbare Wafer-Durchsatz wesentlich durch Eigenschaften des dem Projektionsobjektiv vorgeschalteten Beleuchtungssystems mitbestimmt. Dieses muss in der Lage sein, das Licht einer primären Lichtquelle, beispielsweise eines Lasers, mit möglichst hohem Wirkungsgrad in eine für die optische Projektion günstige Intensitätsverteilung einer sekundären Lichtquelle zu transformieren und dabei in einem Beleuchtungsfeld des Beleuchtungssystems eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung zu erzeugen. Sofern es sich um Beleuchtungssysteme mit variabel einstellbaren Beleuchtungsmodi handelt, sollen die Spezifikationsanforderungen an die Beleuchtung bei allen Beleuchtungsmodi gleichermaßen erfüllt sein, beispielsweise bei konventionellen Settings mit verschiedenen Kohärenzgraden oder bei Ringfeld-, Dipol- oder Quadrupolbeleuchtung. Diese Beleuchtungsmodi werden wahlweise eingestellt, um die Beleuchtung entsprechend der Strukturen der einzelnen abzubildenden Vorlagen (Masken) zu optimieren.
Eine zunehmend wichtig werdende Forderung an Beleuchtungssysteme besteht darin, dass sie in der Lage sein sollen, Ausgangslicht für die Beleuchtung einer Maske (Retikel) mit einem möglichst genau definierbaren Polarisationszustand bereitzustellen. Beispielsweise kann es gewünscht sein, dass das auf die Photomaske oder in das nachfolgende Projektionsobjektiv fallende Licht weitgehend oder vollständig linear polarisiert ist. Mit linear polarisiertem Eingangslicht können z.B. katadioptrische Projektionsobjektive mit Polarisationsstrahlteiller (beam splitter cube, BSC) mit einem hohen Transmissionswirkungsgrad arbeiten. Es kann auch gewünscht sein, im Bereich der Photomaske weitgehend unpolarisiertes oder zirkulär, tangential oder radial polari- siertes Licht bereitzustellen, beispielsweise um strukturrichtungsabhän- gige Auflösungsdifferenzen zu vermeiden.
Ein hoher Grad von Gleichmäßigkeit bzw. Homogenität der auf die Photomaske (Retikel) fallenden Beleuchtung kann durch Mischung des von der Lichtquelle kommenden Lichtes mit Hilfe einer Lichtmischeinrichtung erreicht werden. Bei Lichtmischeinrichtungen unterscheidet man im wesentlichen zwischen Lichtmischeinrichtungen mit Wabenkondensoren und Lichtmischeinrichtungen mit integratorstäben bzw. Lichtmischstäben. Diese Systeme haben spezifische Vor- und Nachteile.
Systeme mit Integratorstäben zeichnen sich durch einen überlegenen Transmissionswirkungsgrad aus. Sie arbeiten häufig mit unpolarisiertem Eingangslicht, was für die Abbildung beispielsweise im Hinblick auf die Strukturrichtungsabhängigkeit der Auflösung oder auf Probleme mit der durch Selbstinterferenz des Laserlichtes verursachten Erzeugung von mikroskopischen Intensitätsmaxima (Speckies) vorteilhaft ist. Ein Nachteil bei diesen Lichtmischsystemen ist, dass sie einen gegebenen Polarisationszustand des Eingangslichtes verändern.
Systeme mit Wabenkondensor zur Lichtmischung können dagegen die Polarisation des Eingangslichtes weitgehend erhalten. Dies ist beispielsweise dann günstig, wenn das Projektionsobjektiv mit polarisiertem Licht zu betreiben ist und als Lichtquelle ein Laser verwendet wird, dessen Ausgangslicht bereits praktisch vollständig polarisiert ist. Systeme mit Wabenkondensoren haben jedoch andere Nachteile. Beispielsweise ist es im Allgemeinen nicht möglich, den Kohärenzgrad der Beleuchtung (σ-Wert) ohne Effizienzverlust kontinuierlich zu variieren. Besonders bei Verwendung von annularer oder polarer Beleuchtung ergeben sich Schwierigkeiten. Diese Beleuchtungsparameter haben jedoch für die lithographische Abbildung besonders bei kleinen k-Faktoren (k = 0,3 - 0,5) eine große Bedeutung. Systeme mit Wabenkondensoren benötigen im allgemeinen Blenden zur Ausblendung eines Teils der durchtretenden Lichtenergie, beispielsweise um die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung nicht zu beeinträchtigen. Blenden in solchen Systemen dienen häufig auch dazu, durch Ausblendung eines Teils der Lichtintensität annulare Beleuchtung oder polare Beleuchtung (z.B. Dipol- oder Quadrupolbe- leuchtung) zu erzielen. Systeme mit Wabenkondensoren zur Lichtmi- schung sind im allgemeinen auch empfindlich in Bezug auf die Erzeugung der erwähnten Speckle-Effekte, die auf mikroskopischer Skala zu ungleichförmiger Beleuchtung führen.
Ein Wabenkondensor im Sinne dieser Anmeldung hat mindestens eine Rasteranordnung optischer Rasterelemente (Waben), um aus einem auf die Rasteranordnung fallenden Lichtbündel eine der Anzahl der beleuchteten Rasterelemente entsprechende Zahl von Lichtbündeln zu formen, die räumlich voneinander getrennt sind. Soll das Licht ausgedehnter Lichtquellen homogenisiert und an eine bestimmte Feldform angepasst werden, ist ein mehrstufiger Aufbau erforderlich. Dabei erzeugt eine Rasteranordnung erster Rasterelemente aus dem einfallenden Licht eine Rasteranordnung sekundärer Lichtquellen, deren Anzahl der Zahl der beleuchteten ersten Rasterelemente entspricht. Die Form der ersten Rasterelemente soll im wesentlichen der Form des zu beleuchtenden Feldes entsprechen. Sie werden daher auch als Feldwaben bezeichnet. Eine nachfolgende Rasteranordnung zweiter Rastelemente dient dazu, die ersten Rasterelemente in die Beleuchtungsfläche, in der das Beleuchtungsfeld entsteht, abzubilden und dabei das Licht der sekundären Lichtquellen im Beleuchtungsfeld zu überlagern. Die zweiten Rasterelemente werden häufig als Pupillenwaben bezeichnet. Üblicherweise sind die ersten und zweiten Rasterelemente einander paarweise zugeordnet und bilden eine Anzahl optischer Kanäle, deren unterschiedliche Lichtintensitäten im Beleuchtungsfeld im Sinne einer Homogenisierung der Intensitätsverteilung überlagert werden.
Die Patente US 6,21 1 ,944 B1 , US 6,252,647 B1 und US 5,576,801 zeigen Beispiele für die Verwendung von Wabenkondensoren als Lichtmischelemente in Beleuchtungssystemen mikrolithographischer Projektionsbelichtungsanlagen. Beschrieben ist auch die Verwendung von Raumfiltern in Verbindung mit Wabenkondensoren zur Einstellung bestimmter Beleuchtungsmodi wie Ringbeleuchtung, Dipolbeleuchtung oder Quadrupolbeleuchtung.
Das Patent EP 0 949 541 A2 zeigt Beispiele für Beleuchtungssysteme, bei denen mit Hilfe unterschiedlicher diffrakth/er optischer Elemente in Kombination mit Axikons sowie Zoom-Elementen verschiedene Multipol- Beleuchtungsmodi einstellbar sind, bei denen mindestens ein räumlicher Parameter kontinuierlich variiert werden kann. In diesem Beleuchtungssystem kommt u.a. ein Wabenkondensor als Lichtmischeinrichtung zum Einsatz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem für eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage bereitzustellen, welches eine weitgehend polarisationserhaltende Lichtmischeinrichtung hat und zur Erzeugung einer im Wesentlichen homogenen Lichtverteilung in einer Feldebene des Beleuchtungssystems ausgelegt ist. Insbesondere soll sich das Beleuchtungssystem durch hohe Transmis- sion (wenig Lichtverlust) und einen einfachen Aufbau auszeichnen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Beleuchtungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem soll für die Anwendung in einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage geeignet sein und dient der Beleuchtung eines in einer Beleuchtungsfläche des Beleuchtungssystems angeordneten Beleuchtungsfeldes mit dem Licht einer primären Lichtquelle. Diese normalerweise ebene Beleuchtungsfläche ist in der Regel eine Feldebene des Beleuchtungssystems und kann bei eingebautem Beleuchtungssystem optisch konjugiert zur Objektebene des Projektionsobjektivs liegen oder dieser Ebene entsprechen. Als primäre Lichtquelle kann beispielsweise ein im Ultraviolettbereich arbeitender Laser dienen, der beispielsweise eine Arbeitswellenlänge von 248 nm, 193 nm, 157 nm oder darunter bereitstellt. Auch andere Lichtquellen und/oder kürzere oder größere Wellenlängen sind möglich. Das Beleuchtungssystem umfasst mehrere entlang seiner optischen Achse angeordnete optische Systeme. Eine Lichtverteilungseinrichtung dient zum Empfang von Licht der primären Lichtquelle und zur Erzeu- gung einer durch die Konfiguration der Lichtverteilungseinrichtung vorgebbaren zweidimensionalen Intensitätsverteilung aus dem Licht der primären Lichtquelle in einer ersten Fläche des Beleuchtungssystems. Eine erste Rasteranordnung mit ersten Rasterelementen dient zum Empfang der räumlichen, zweidimensionalen Intensitätsverteilung und zur Erzeugung einer Rasteranordnung sekundärer Lichtquellen, welche Bilder der primären Lichtquelle sind. Die Anzahl sekundärer Lichtquellen entspricht dabei der Anzahl der beleuchteten ersten Rasterelemente. Eine zweite Rasteranordnung mit zweiten Rasterelementen dient dazu, das Licht der sekundären Lichtquellen zu empfangen und im Beleuchtungsfeld zumindest teilweise zu überlagern. Hierdurch wird eine Homogenisierung bzw. Vergleichmäßigung der Beleuchtungsintensität im Beleuchtungsfeld erreicht. Die zweite Rasteranordnung ist im Bereich einer Pupillenfläche des Beleuchtungssystems angeordnet. Diese Pupil- lenfläche kann bei eingebautem Beleuchtungssystem optisch konjugiert zu einer Pupillenebene eines nachfolgenden Projektionsobjektivs sein, so dass die Lichtverteilung in der Pupillenfläche des Beleuchtungssystems im wesentlichen die Lichtverteilung in der Pupille des Projektions- Objektivs bestimmt.
Die Lichtverteilungseinrichtung umfasst mindestens ein diffraktives optisches Element zur Erzeugung einer Winkelverteilung, deren Fernfeld getrennte oder zusammenhängende Leuchtzonen aufweist, die in Form und Größe auf die Form und Größe der ersten Rasterelemente der ersten Rasteranordnung abgestimmt sind. Durch die Abstimmung der Leuchtzonen auf die Rasterelemente können diese gezielt jeweils im Wesentlichen vollständig ausgeleuchtet werden. Dies hat zur Folge, dass praktisch keine die Homogenisierungswirkung des Wabenkonden- sors beeinträchtigende, teilweise Ausleuchtung von Rasterelementen auftritt. Die Verteilung der Leuchtzonen auf der ersten Rasteranordnung ist hierbei im Wesentlichen an die Form der gewünschten Austrittslichtverteilung angepasst, wobei der Rand der Verteilung eine Rasterung aufweist, die durch die Form und Größe der Rasterelemente vorgege- ben ist. Zur Verwendung in Lichtverteilungseinrichtungen geeignete diffraktive optische Elemente können für die Verwendung in Transmission oder in Reflexion ausgelegt sein und sind mit geringem Aufwand herstellbar.
Bei einer Ausführungsform des Beleuchtungssystems ist das diffraktive optische Element zur Einstellung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung in der ersten Fläche derart ausgebildet, dass durch die Intensitätsverteilung alle zu einer vorgegebenen Austrittslichtverteilung gehörenden ersten Rasterelemente im wesentlichen vollständig ausge- leuchtet werden, während nicht zu der Austrittslichtverteilung beitragende erste Rasterelemente im wesentlichen unausgeleuchtet bleiben. Dadurch ist eine besonders gleichmäßige Ausleuchtung des Beleuch- tungsfeldes erzielbar. Als Austrittslichtverteilung wird hier die räumliche Intensitätsverteilung hinter der zweiten Rasteranordnung bezeichnet.
In einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems ist das diffraktive optische Element derart ausgestaltet, dass die Leuchtzonen eine annähernd kreisförmige, annähernd annulare, oder annähernde Dipoloder Multipol-Intensitätsverteilung mit einer der Form und Größe der ersten Rasterelemente entsprechenden Rasterung auf den ersten Rasterelementen der ersten Fläche erzeugen. Eine solche Ausleuchtung der ersten Fläche ermöglicht beispielsweise Austrittslichtverteilungen mit annähernd kreisförmigen Intensitätsverteilungen unterschiedlicher Durchmesser bzw. Kohärenzgrade, annähernd ringförmige Intensitätsverteilungen mit unterschiedlichen Ringbreiten und/oder unterschiedlichen Radien oder annähernd polare Intensitätsverteilungen mit bei- spielsweise zwei oder vier symmetrisch oder asymmetrisch zur optischen Achse des Systems verteilten Beleuchtungsschwerpunkten.
In einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems ist zwischen der primären Lichtquelle und der ersten Rasteranordnung keine variabel ein- stellbare Optikkomponente, insbesondere weder ein verstellbares Axikon-System noch eine Zoomeinrichtung angeordnet. Zur Erzeugung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung in der ersten Fläche des Beleuchtungssystems kommt daher ausschließlich das mindestens eine diffraktive optische Element zum Einsatz. Durch den Verzicht auf variabel einstellbare Optikkomponenten werden die Herstellungskosten für das Beleuchtungssystem gesenkt.
In einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems umfasst die Lichtverteilungseinrichtung eine Wechseleinrichtung zum Austausch eines ersten diffraktiven optischen Elements zur Erzeugung einer ersten, zweidimensionalen Intensitätsverteilung gegen mindestens ein zweites, diffraktives optisches Element zur Erzeugung einer zweiten, zweidimensionalen Intensitätsverteilung, die sich von der ersten Intensitätsverteilung unter- scheidet. Die Wechseleinrichtung kann z.B. als Linearwechsler oder als Drehwechsler ausgebildet sein. Durch den Austausch von diffraktiven optischen Elementen können unterschiedliche Beleuchtungsmodi variabel eingestellt werden. Beispielsweise ist es möglich, unterschiedliche Kohärenzgrade (σ-Wert) variabel einzustellen. Der Kohärenzgrad ist definiert als das Verhältnis der numerischen Apertur des Beleuchtungssystems zur numerischen Apertur eines nachfolgenden Projektions- objektivs. Bei Kenntnis der Beleuchtungsmodi, die in einem spezifischen Beleuchtungssystem zum Einsatz kommen, können ausschließlich die zur Erzeugung dieser Modi benötigten diffraktiven optischen Elemente im Beleuchtungssystem vorgesehen sein, so dass dem Anwender keine zusätzlichen Kosten durch nicht benötigte diffraktive Elemente oder aufwändig konstruierte variable optische Systeme entstehen. Die in einem Beleuchtungssystem zur Verfügung gestellten diffraktiven opti- sehen Elemente können in ihrer Bauart auf die Bedürfnisse des Anwenders zugeschnitten sein.
In einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems weist das diffraktive optische Element zwei oder mehr unterschiedlich strukturierte Teilberei- ehe auf, die zur Erzeugung einer der Anzahl der Teilbereiche entsprechenden Anzahl unterschiedlicher zweidimensionaler Lichtverteilungen wahlweise in den Strahlengang des Beleuchtungssystems einbringbar sind. Diffraktive optische Elemente mit mehreren Teilbereichen zur Einstellung unterschiedlicher Beleuchtungsmodi sind z.B. in der EP 1 109 067 A2 beschrieben.
In einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems ist das diffraktive optische Element derart ausgestaltet, dass mindestens eine Leuchtzone mindestens ein Rasterelement vollständig ausleuchtet. Bei einer voll- ständigen Ausleuchtung von Rasterelementen durch Leuchtzonen ist z.B. bei der Erzeugung einer kreis- oder ringförmigen Intensitätsverteilung eine zusammenhängende Überdeckung derjenigen Rasterelemente mit Beleuchtungslicht möglich, die zur Austrittslichtverteilung bei- tragen. Die Rasterung des Rands der Lichtverteilung in der ersten Fläche ist hierbei durch die Form der Rasterelemente vorgegeben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Beleuchtungssystems ist das diffraktive optische Element derart ausgestaltet, dass mindestens eine Leuchtzone mindestens ein Rasterelement bis auf einen schmalen Randbereich mit maximaler Strahlleistung ausleuchtet. Bei einer solchen Ausleuchtung werden die Grenzbereiche zwischen den Rasterelementen nicht oder nur mit stark verminderter Intensität ausgeleuchtet, so dass diese auch als Totzonen bezeichneten Bereiche in diesem Fall nicht zu Lichtverlust oder Streulichtbildung beitragen können.
Bei einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems ist die primäre Lichtquelle ein Laser, der in mindestens einer die Lichtlaufrichtung des Lichts enthaltenden Ebene eine Divergenz DL aufweist. Eine maximale Divergenz des diffraktiven optischen Elements in der Ebene liegt bei Dmaχ- Eine Anzahl n der Rasterelemente der ersten Rasteranordnung zur Erzeugung einer Homogenisierungswirkung ist so vorgegeben, dass ein festgelegter, effektiver Transmissionsgrad T der auf das erste Raster- element auftreffenden Strahlung nicht unterschritten wird. Der „effektive Transmissionsgrad" T ist hier definiert als das Verhältnis des Strahlungsanteils, der mit Flattop-Intensität auf ein erstes Rasterelement auftrifft zur gesamten auf das Rasterelement auftreffenden Strahlung. Die Flattop-Intensität ist die mittlere Intensität im Flattop-Bereich, die in der Regel nicht völlig konstant ist. Der effektive Transmissionsgrad T setzt daher den für die Beleuchtung verwendbaren Nutzlichtanteil zur Summe aus dem Nutzlichtanteil und einem zu verwerfenden Lichtanteil ins Verhältnis, der für die Beleuchtung nicht genutzt werden sollte, wenn eine homogene Beleuchtung gewünscht ist. Der „effektive Transmissionsgrad" berücksichtigt dabei, dass evtl. ein Teil der von dem Rasterelement abgegebenen Strahlung aufgewendet werden muss, um eine Lichtverteilung mit der gewünschten Homogenität zu erreichen. Hierbei wird von gleichartigen Rasterelementen ausgegangen, so dass der effektive Transmissionsgrad jedes einzelnen Rasterelements im Wesentlichen identisch ist und mit dem effektiven Transmissionsgrad der Rasteranordnung übereinstimmt. Als Divergenz wird hier der halbe Öffnungswinkel bezeichnet, den der Strahl in der die Lichtlaufrichtung enthaltenden Ebene aufspannt. ÜMax bezeichnet den Winkel zwischen der optischen Achse und dem Randstrahl, der den äußersten Rand der am weitesten von der optischen Achse entfernten ersten Rasterelemente trifft.
Die Homogenisierungswirkung des Wabenkondensors hängt von der Anzahl n der Rasterelemente ab, die zur Überlagerung in der Feldebene beitragen. Je besser die Homogenität des Beleuchtungslichts ausfallen soll, umso mehr Rasterelemente werden in der Regel benötigt. Andererseits wird durch jedes Rasterelement ein Randbereich erzeugt, der einen Intensitätsabfall des Beleuchtungslichts verursacht. Zwischen einem Sollwert für den effektiven Transmissionsgrad des Wabenkondensors und der Homogenität des Beleuchtungslichts muss daher ein Kom- promiss gefunden werden. Bei gegebener Anzahl n von Rasterelementen lässt sich mit Hilfe der Größen DL und DMaχ ein effektiver Transmis- sionsgrad T der Rasterelemente bestimmen. Dieser sollte einen bestimmten Wert, z.B. ca. 70% oder 80%, nicht unterschreiten.
Bei einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems ist das diffraktive optische Element als computergeneriertes Hologramm (CGH) ausgebil- det. Solche Elemente können eine Winkelverteilung erzeugen, die vorteilhaft an die Form und Größe der Rasterelemente der ersten Rasteranordnung angepasst ist. Zur Herstellung wird die zu fertigende Oberflächenstruktur des Elements über iterative Algorithmen mit Vorgabe einer Sollwinkelverteilung berechnet und die Oberflächenstruk- tur, z.B. mit einem mikrolithographischen Prozess, erzeugt.
In einer Ausführungsform des Beleuchtungssystems sind die Rasterelemente der ersten und/oder der zweiten Rasteranordnung als Mikro- linsen ausgebildet. Die Form der Linsen der ersten Rasteranordnung wird an die Form des Beleuchtungsfeldes angepasst, wobei rechteckige Formen bevorzugt sind. Bei Beleuchtungssystemen für Waferscanner können beispielsweise rechteckige Mikrolinsen mit hohem Aspektver- hältnis zwischen Breite und Höhe vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung des Beleuchtungssystems ist in der Nähe der Beleuchtungsfläche oder in der Nähe einer zu dieser konjugierten Ebene eine Abschattungsblende zur Erzeugung eines scharfen Randes (Hell- Dunkel-Übergang) der Intensitätsverteilung vorgesehen. Die Abschattungsblende und deren Position sind so ausgelegt, dass diese den Teil der Intensitätsverteilung abschneidet bzw. ausblendet, in dem die Intensität nicht konstant ist (Flanke).
Bei einer Ausführungsform des Beleuchtungssystems ist zwischen dem diffraktiven optischen Element und der ersten Rasteranordnung mindestens eine Fourierlinsenanordnung angeordnet. Die Fourierlinsenanord- nung, die eine oder mehrere Linsen umfassen kann, dient zur Umwandlung der durch das diffraktive optische Element erzeugten Winkelvertei- lung in eine Ortsverteilung in einer Feldebene hinter der Fourierlinsenanordnung. Das Fernfeld des diffraktiven optischen Elements wird durch die Fourierlinsenanordnung somit aus einer im Unendlichen liegenden Ebene in die Brennebene der Fourierlinsenanordnung gebracht. Dadurch können kompakte Bauformen realisiert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen, bei dem eine Beleuchtung eines in einer Objektebene eines Projektionsobjektivs angeordneten Retikels mit dem Licht einer primären Lichtquelle mit Hilfe eines erfindungsgemäß ausgebildeten Beleuchtungssystems erfolgt, sowie ein Bild des Retikels auf einem lichtempfindlichen Substrat erzeugt wird; wobei zur Beleuchtung des Retikels das diffraktive optische Element eine zweidimensionale Intensitätsverteilung in Form von Leuchtzonen auf der ersten Fläche des Beleuchtungssystems erzeugt, deren räumliche Verteilung im Wesentlichen der Form einer vorgebbaren Austrittslichtverteilung entspricht.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird ein Wechsel der Beleuchtungsmodi des Beleuchtungssystems ausschließlich durch Austausch des diffraktiven optischen Elements und/oder durch wahlweises Einbringen von unterschiedlich strukturierten Teilbereichen des diffraktiven optischen Elements in den Strahlengang des Beleuchtungssystems durchgeführt. Es ist bei dieser Weiterbildung somit möglich, zur Einstellung von Beleuchtungsmodi vollständig auf verstellbare Komponenten wie Axikon-Systeme oder Zoomeinrichtungen zu verzichten.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprü- chen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein können und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausfüh- rungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems für eine Mikrolithographie-Projektions- belichtungsanlage mit einer ersten und einer zweiten Rasteranordnung,
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erste Rasteranordnung von Fig. 1 mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Intensi- tätsverteilung mit voneinander getrennten Leuchtzonen,
Fig. 3 zeigt schematisch eine stark vereinfachte Darstellung des Beleuchtungssystems von Fig. 1 zur Veranschaulichung des durch das diffraktive optische Element bereitgestellten Intensitätsverlaufs auf der ersten Rasteranordnung sowie auf dem Beleuchtungsfeld,
Fig. 4 zeigt eine Diagramm zur Veranschaulichung des Intensitätsverlaufs auf dem Beleuchtungsfeld, und
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erste Rasteranordnung von Fig. 1 mit einer im Wesentlichen kreisförmigen Intensitätsverteilung mit zusammenhängenden Leuchtzonen.
In Fig. 1 ist ein Beispiel eines Beleuchtungssystems 10 einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, genauer gesagt eines Wafer-Scanners gezeigt, die bei der Herstellung von Halbleiterbauele- menten und anderen feinstrukturierten Bauteilen einsetzbar ist und zur Erzielung von Auflösungen bis zu Bruchteilen von Mikrometern mit Licht aus dem tiefen Ultraviolettbereich arbeitet. Die Scanrichtung des Wafer- Scanners (y-Richtung) verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Als primäre Lichtquelle 1 1 dient ein F2-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von ca. 157 nm, dessen Lichtstrahl koaxial zur optischen Achse 12 des Beleuchtungssystems ausgerichtet ist. Andere UV-Lichtquellen, beispielswiese ArF-Excimer-Laser mit 193 nm Arbeitswellenlänge, KrF-Excimer-Laser mit 248 nm Arbeitswellenlänge sowie primäre Lichtquellen mit größeren oder kleineren Arbeitswellenlängen sind ebenfalls möglich.
Der vom Laser kommende Lichtstrahl mit kleinem Rechteckquerschnitt trifft zunächst auf eine Strahlaufweitungsoptik 13, die einen austretenden Strahl 14 mit weitgehend parallelem Licht und größerem Rechteckquerschnitt erzeugt. Das „weitgehend parallele Licht" hat eine geringe Laserdivergenz, die um den Aufweitungsfaktor der Strahlaufweitungsoptik geringer ist als die Divergenz des einfallenden Strahls. Die Strahlaufweitungsoptik kann Elemente enthalten, die zur Kohärenzreduktion des Laserlichts dienen. Das weitgehend parallelisierte Laserlicht trifft danach auf ein diffraktives optisches Element 21 , das als computergeneriertes Hologramm zur Erzeugung einer Winkelverteilung ausgebildet ist. Die durch das diffraktive optische Element 21 erzeugte Winkelverteilung wird beim Durchtritt durch eine Fourierlinsenanordnung 23, die in Brennweite vom diffraktiven optischen Element positioniert ist, in eine zweidimensional ortsabhängige Intensitätsverteilung umgewandelt. Die so erzeugte Intensitätsverteilung ist daher auf einer ersten Fläche 25 des Beleuchtungssystems vorhanden.
In der Nähe der ersten Fläche 25 oder mit dieser zusammenfallend liegt die Eintrittsfläche einer ersten Rasteranordnung 35 mit ersten Rasterelementen 36, die als Mikrolinsen mit positiver Brechkraft und einem Rechteckquerschnitt mit großem Aspektverhältnis zwischen Breite und Höhe ausgebildet sind (vgl. Fig. 2). Die Rechteckform der Mikrolinsen 36 entspricht der Rechteckform des zu beleuchteten Feldes (dem Scannerfeld eines Waferscanners), weshalb die ersten Rasterelemente auch als Feldwaben 36 bezeichnet werden. Die ersten Rasterelemente 36 sind in einem der Rechteckform der Feldwaben entsprechenden rechteckigen Raster (kartesisches Raster) direkt aneinander angrenzend, d.h. im wesentlichen flächenfüllend angeordnet.
Das diffraktive optische Element 21 bewirkt, dass das in die erste Fläche 25 einfallende Licht in eine der Anzahl der zu beleuchtetenden Einzellinsen 36 entsprechende Anzahl von rechteckförmigen Leuchtzonen 70 aufgeteilt wird, die entsprechend der Brechkraft der Mikrolinsen 36 in den jeweils zugehörigen Fokusbereichen derselben fokussiert werden. Dadurch entsteht eine der Anzahl beleuchteter Linsen 36 entsprechende Anzahl sekundärer Lichtquellen, die in einer Rasteranordnung angeordnet sind. Die einzelnen Positionen der sekundären Lichtquellen werden dabei durch die jeweiligen Fokuspositionen der Einzellinsen 36 bestimmt. Mit Abstand hinter der ersten Rasteranordnung 35 ist eine zweite Rasteranordnung 40 mit zweiten Rasterelementen 41 angeordnet, die im Beispielsfall ebenfalls als Mikrolinsen mit positiver Brechkraft ausgebildet sind. Die zweiten Rasterelemente werden auch als Pupillenwaben bezeichnet und sind im Bereich einer zweiten Fläche 45 des Beleuchtungssystems angeordnet, welche eine Fourier-transfor- mierte Ebene zur ersten Fläche 25 ist. Die zweite Fläche 45 ist eine Pupillenebene des Beleuchtungssystems und ist bei einem in eine Projektionsbelichtungsanlage eingebauten Beleuchtungssystem optisch konjugiert zur einer Pupillenebene des ProjektionsobjektiNs, dessen Objektebene (Retikelebene) mit Hilfe der Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird. Die zweiten Rasterelemente 41 sind in der Nähe der jeweiligen sekundären Lichtquellen angeordnet und bilden über eine nachgeschaltete, zoombare Feldlinse 47 die Feldwaben 36 in eine Beleuchtungsfläche 50 des Beleuchtungssystems ab, in der das rechtwinklige Beleuchtungsfeld 51 liegt. Die rechtwinkligen Bilder der Feldwaben 36 werden dabei im Bereich des Beleuchtungsfeldes 51 mindestens teilweise überlagert. Diese Überlagerung bewirkt eine Homogenisierung bzw. Vergleichmäßigung der Lichtintensität im Bereich des Beleuchtungsfeldes 51.
Die Rasterelemente 35, 40 übernehmen bei diesem Beleuchtungssystem die Funktion einer Lichtmischeinrichtung 55, die der Homogenisierung der Beleuchtung im Beleuchtungsfeld 51 dient und die die einzige Lichtmischeinrichtung des Beleuchtungssystems ist.
Die Beleuchtungsfläche 50, in der das Beleuchtungsfeld 51 liegt, ist eine Feldzwischenebene des Beleuchtungssystems, in der ein Retikel- Masking-System (REMA) 60 angeordnet ist, welches als verstellbare Abschattungsblende zur Erzeugung eines scharfen Randes der Intensitätsverteilung dient. Das nachfolgende Objektiv 65 bildet die Zwischenfeldebene mit dem Maskierungssystem 60 auf das Retikel (die Maske bzw. die Lithographievorlage) ab, das sich in der Retikelebene 69 befindet. Der Aufbau solcher Abbildungsobjektive 65 ist an sich bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert. Es gibt auch Ausführungsformen ohne ein solches Abbildungssystem; bei diesen kann die Beleuchtungsfläche 50 mit der Retikelebene (Objektebene eines nach- folgenden Projektionsobjektivs) zusammenfallen.
Mit dem Beleuchtungssystem 10 ist es auf einfache Weise möglich, verschiedene Beleuchtungsmodi bereitzustellen, indem zur Erzeugung unterschiedlicher, jeweils fest vorgebbarer Lichtverteilungen das diffrak- tive optische Element 21 mittels einer als Linearwechsler ausgebildeten Wechseleinrichtung 20 gegen ein diffraktives optisches Element mit anderer Abstrahlcharakteristik ausgetauscht wird, das in der Wechseleinrichtung 20 vorgesehen ist. Ein zum Austausch vorgesehenes diffraktives optisches Element 22 ist beispielhaft im inneren des Linearwechslers 20 gezeigt. Durch den Austausch diffraktiver optischer Elemente können z.B. unterschiedliche, jeweils fest vorgebbare Kohärenzgrade (σ-Abstufungen), z.B. zwischen 0,05 und 0,1 , erzeugt werden. Alternativ ist zur Erzeugung verschiedener Beleuchtungsmodi auch die Verwendung eines einzelnen diffraktiven optischen Elements möglich, welches mehrere unterschiedlich strukturierte Teilbereiche zur Erzeugung einer Anzahl der Teilbereiche entsprechenden Anzahl von Lichtverteilungen aufweist.
Dieses Beleuchtungssystem bildet zusammen mit einem (nicht gezeig- ten) Projektionsobjektiv und einem verstellbaren Retikel-Halter, der das Retikel in der Objektebene des Projektionsobjektivs (Retikelebene 69) hält, eine Projektionsbelichtungsanlage für die mikrolithographische Herstellung von elektronischen Bauteilen, aber auch von diffraktiven optischen Elementen und anderen mikrostrukturierten Teilen.
Bei dem hier gezeigten Scanner-System wird auf dem Retikel ein schmaler Streifen, typischerweise ein Rechteck mit einem Aspektverhältnis von 1 :2 bis 1 :8, beleuchtet und durch Scannen das gesamte struktuherte Feld eines Chips seriell beleuchtet. Auch eine Verwendung in Wafer-Steppern ist möglich, bei denen die gesamte, einem Chip entsprechende strukturierte Fläche so gleichmäßig und randscharf wie möglich beleuchtet wird.
Anhand von Fig. 2 werden Besonderheiten der Rasteranordnung 35 der Lichtmischeinrichtung 55 näher erläutert. In dem schematisch dargestellten Beispiel besteht die erste Rasteranordnung 35 aus einer quadratischen Anordnung mit insgesamt 91 rechteckigen Mikrolinsenelementen (erste Rasterelemente) 36, die direkt aneinander angrenzend nebeneinander bzw. übereinander angeordnet sind und die quadratische Fläche lückenlos ausfüllen. Die Rechteckform der Rasterelemente 36 mit einem Aspektverhältnis zwischen Breite und Höhe von ca. 4:1 entspricht der Rechteckform des zu beleuchtenden Feldes 51. In Fig. 2 sind diejenigen Rasterelemente hervorgehoben, die zur Erzeugung einer näherungsweise kreisförmigen Austrittslichtverteilung durch das diffraktive optische Element 21 ausgeleuchtet werden und auf denen daher im Betrieb des Beleuchtungssystems jeweils eine Leuchtzone 70 erzeugt wird. Jedes einzelne ausgeleuchtete Rasterelement wird bis auf einen Randbereich 71 mit maximaler Strahlungsintensität von der Beleuchtungsstrahlung getroffen, so dass die Leuchtzonen 70 der Intensitätsverteilung nicht zusammenhängen. Durch den Verzicht auf die Ausleuchtung der Randbereiche 71 der Mikrolinsen können Lichtverluste vermieden werden, die durch die Absorption von Beleuchtungsstrahlung oder Lichtstreuung in diesen, auch als Totzonen bezeichneten Randbereichen entstehen.
Fig. 3 zeigt schematisch eine stark vereinfachte Ausführungsform eines Beleuchtungssystems zur Veranschaulichung des durch das diffraktive optische Element bereitgestellten Intensitätsverlaufs auf der Rasteran- Ordnung sowie auf dem Beleuchtungsfeld des Beleuchtungssystems von Fig. 1. Die für diese Veranschaulichung relevanten Komponenten des Beleuchtungssystems von Fig. 1 sind in Fig. 3 mit um hundert erhöhten Bezugszeichen dargestellt. Die Divergenz des aufgeweiteten Lasers senkrecht zur Scanrichtung, d.h. in x-Richtung in der Zeichenebene, liegt bei D = 1 mrad. Die von dem diffraktiven optischen Element 121 erzeugte Winkelverteilung wird mit der Laserdivergenz gefaltet und flacht die von diesem erzeugte, steilflankige Winkelverteilung ab, so dass der Intensitätsverlauf der auf den Rasterelementen erzeugten Leuchtzonen 200 ebenfalls Flanken aufweist, deren Breite bei 1 mrad liegt. Die Laserdivergenz bzw. die Divergenz der aufgeweiteten Strahlung (hier: 1 mrad) bezieht sich hier auf eine räumliche Ausdehnung in der Pupillenebene (Ort des Rasterelementes). Die Ausdehnung der Flanke skaliert somit mit der Brennweite der Linse 123. Bei den hier auftretenden, kleinen Strahlwinkeln können Winkelmaße 1 :1 in Längenmaße umgerechnet werden, so dass den Divergenzwerten Längenwerte entsprechen, wovon im Folgenden Gebrauch gemacht wird. Durch die aufgrund der Laserdivergenz hervorgerufenen Flanken entsteht ein trapezförmiger Intensitätsverlauf auf den Leuchtzonen 200 mit einem Plateau 203 konstanter Intensität sowie zwei Flanken 202, 204 mit linear abfallender Intensität (Top-Hat-Verteilung). Der trapezförmige Intensitätsverlauf der Leuchtzonen 200 findet sich aufgrund der Überlagerung durch die Lichtverteilungseinrichtung 155 auch auf dem Beleuchtungsfeld 151 wieder.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Intensitätsverlaufs auf dem Beleuchtungsfeld senkrecht zur Scanrichtung (x-Richtung). Diese ist symmetrisch zur optischen Achse 112 mit einer ersten, weitgehend linear ansteigenden Flanke 202, einem Plateau 203 idealerweise konstanter Lichtintensität lmax und einer zweiten, linear abfallenden Flanke 204 ausgebildet. Die im Realfall normalerweise nicht konstante Intensität im Plateaubereich wird hier als „Flattop-Intensität" bezeichnet. Die Intensitätsverteilung 201 sollte über das gesamte Beleuchtungsfeld 151 hinweg eine konstante Intensität aufweisen (Plateau), die an den Rändern des Beleuchtungsfeldes in einem möglichst schmalen Bereich (Flanke) auf Null abfällt (Top-Hat- Verteilung). Da der Intensitätsverlauf nicht steil genug abfällt, schneidet zur Erzeugung scharfer Kanten eine in Fig. 3 gezeigte Blende 156 die Flankenbereiche 205, 206 des trapezförmigen Intensitätsverlaufs 201 so ab, dass der in Fig. 4 gestrichelt gezeigte Intensitätsverlauf entsteht. Durch das Abschneiden bzw. Ausblenden der Flanken entsteht ein Transmissionsverlust, der möglichst gering ausfallen sollte. Um dies zu erreichen, muss dafür Sorge getragen werden, dass der (gestrichelt gezeichnete) Anteil der Strahlintensität in den Flankenbereichen im Vergleich zum Strahlungsanteil in Bereich 206 höchster Intensität möglichst klein ist. Dies kann z.B. durch eine möglichst schmale Flan- kenbreite φF erreicht werden. Die Breite φF des Bereichs, in dem der Intensitätsabfall auftritt, stimmt wie schon erwähnt mit der Laserdivergenz DL am Ort der ersten Rasterelemente überein (DL = ΨF)-
Die Lichtmischeinrichtung 155 soll eine möglichst gute Homogenisierung der Beleuchtungsstrahlung ermöglichen. Diese ist in der Regel umso besser, je mehr Rasterelemente 136, 141 zur Überlagerung beitragen. Der Bereich, der an einem einzelnen Rasterelement mit maximaler Strahlleistung ausgeleuchtet wird, ist aber umso kleiner, je mehr Rasterelemente zur Verfügung stehen, da das Verhältnis zwischen (divergenz- bedingter) Flankenbreite und Plateaubreite ungünstiger (größer) wird, je schmaler die Rasterelemente sind. Es ist daher nötig, einen Kompro- miss aus Homogenität, bedingt durch die Zahl der Rasterelemente, und effektivem Transmissionsgrad der Beleuchtungsstrahlung, begrenzt durch die Notwendigkeit zum Ausblenden von Flankenanteilen, zu fin- den. Hierzu ist es einerseits möglich, einen gewünschten effektiven Transmissionsgrad vorzugeben und die maximale Anzahl von Rasterelementen 136, 141 zu bestimmen, für die dieser effektive Transmissionsgrad noch zu erreichen ist. Es ist andererseits auch möglich, die Zahl der Rasterelemente entsprechend der gewünschten Homogeni- sierungswirkung vorzugeben und daraus den effektiven Transmissionsgrad zu errechnen. Letzteres Vorgehen wird im folgenden beschrieben, wobei ersteres Vorgehen selbstverständlich ebenfalls möglich ist. Ausgehend von einer Anzahl n=11 von ersten und zweiten Rasterelementen 136, 141 zur Erzeugung einer vorgegebenen Homogenisierungswirkung, von denen zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 3 nur vier gezeigt sind, wird zunächst bestimmt, wie groß der für ein einzelnes Element zur Verfügung stehende Winkelbereich ist. Hierzu wird die doppelte maximale Divergenz des diffraktiven optischen Elements 2 Di iax (voller Öffnungswinkel), der im hier betrachteten Fall bei ca. 60 mrad liegt, durch die Zahl der Rasterelemente geteilt. Ein einzelnes Rasterelement entspricht daher einem Beleuchtungswinkel von φtot = 60 mrad/ 1 1 = 5,4545 mrad. Bei einer Laserdivergenz von DL= ΨF = 1 mrad beträgt der mit maximaler Strahlleistung ausgeleuchtete Beleuchtungswinkel eines Rasterelements somit φmaχ = φtot - 2 * φF = 5,4545 mrad - 2 mrad = 3,4545 mrad (vergleiche hierzu auch Fig. 4). Die Breite des mit maximaler Intensität ausgeleuchteten Bereichs φmax entspricht der Breite des Beleuchtungsfeldes 151 in x-Richtung, d.h. des Teils der Beleuchtungsfläche 150, der nicht von der Blende 160 abgeschnitten wird. Die gesamte Strahlung S, die pro Zeiteinheit auf der Beleuchtungsfläche 150 auftrifft, ergibt sich als Integral über die Intensität, d.h. als die Fläche, die unter der Intensitätsverteilung von Fig. 4 liegt. Der Teil der Strahlung, der mit maximaler Strahlleistung auf der Beleuchtungsfläche auftrifft, ergibt sich zu Smax = Φmax * Imax ■ Zur Bestimmung des effektiven Transmissionsgrads T ist dieser ins Verhältnis zu setzen mit der gesamten auf die Beleuchtungsfläche 150 auftreffenden Strahlung. Diese ist gegeben durch die gesamte Trapezfläche, d.h. den Anteil Smax plus die Strahlung des auf die beiden Flankenbereichen auftreffenden Lichts SF, d.h. der zwei schraffierten Dreiecksflächen 205, 206 in Fig. 4, so dass Stot=
Ϊ3max+ ^ F = ψmax 'max + ψF 'max.
Im vorliegenden Beispiel ist T=3,4545 mrad/(3,4545 mrad+1 mrad)= 0,78. Legt man eine Laserdivergenz von DL= 0,5 mrad zugrunde, so ergibt sich bei gleicher Anzahl von Rasterelementen und identischem DMax eine effektive Transmission T = 4,4545 mrad/(4,4545 mrad+0,5 mrad) = 0,90. Wird die Anzahl der Rasterelemente z.B. auf 21 erhöht, so ergibt sich bei gleichen Bedingungen ein effektiver Transmissionswert von T=1 ,86 mrad/(1 ,86 mrad+0,5 mrad)= 0,79. Soll somit beispielsweise ein effektiver Transmissionsgrad von mehr als 80% erreicht werden, so erweist sich bei einer Laserdivergenz DL zwischen 0,5 und 1 mrad und einer maximalen Divergenz des diffraktiven Elements Dmax von 30 mrad eine Anzahl der Rasterelemente der ersten Rasteranordnung zwischen 10 und 22 als guter Kompromiss zwischen effektivem Transmissionsgrad des Wabenkondensors und dessen Homogenisierungswirkung.
Ein Abschneiden der Kanten mit einer Blende 160 ist nur senkrecht zur Scanrichtung nötig, so dass entlang der Scanrichtung kein Lichtverlust auftritt. Dadurch können in Scanrichtung mehrere Rasterelemente mit zusammenhängenden Leuchtzonen ausgeleuchtet werden, ohne dass eine Verminderung der Transmission eintritt. Bei Verwendung eines Wafer-Steppers ist hingegen darauf zu achten, dass das Beleuchtungsfeld in zwei Raumrichtungen möglichst steile Flanken aufweist.
Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erste Rasteranordnung von Fig. 1 mit einer zusammenhängenden, im Wesentlichen kreis- förmigen Intensitätsverteilung. Der für die Erzeugung der Austrittslichtverteilung vorgesehene Teil der Rasterelemente 36 wird von Leuchtzentren 72 überdeckt, die ohne Zwischenräume ausgeleuchtet werden. Eine solche Ausleuchtung ist für die Transmission zwar nicht optimal, wenn steile Flanken des Beleuchtungsfeldes 151 gefordert sind, da beim Ausblenden ein höherer Anteil des Beleuchtungslichts verloren geht als bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel. Jedoch ist die Strahlungsbelastung des Materials der Rasterelemente in diesem Fall geringer. Es ist auch möglich, nur die Zwischenräume in y-Richtung (Scanrichtung) zu füllen, die Zwischenräume in der dazu senkrechten x-Richtung jedoch, wie in Fig. 2 gezeigt, unbeleuchtet zu lassen. Diese Variante ist in Fig. 5 gestrichelt dargestellt. Dadurch kann bei Scannersystemen die Materialbelastung der Rasterelemente ohne Verlust an Transmission verringert werden. Ein entsprechendes diffraktives optisches Element würde somit ein Streifenmuster mit in y-Richtung durchgehend verlaufenden streifenförmigen Intensitätsbereichen (Leuchtzonen) erzeugen, zwischen denen in x-Richtung kleine Abstände liegen.
Hier wurde anhand von Ausführungsbeispielen mit relativ wenigen Waben eine grobe Rasterung in Radialrichtung erzielt. Eine Feldwabenplatte und/oder eine Pupillenwabeplatte kann jedoch auch deutlich mehr als die gezeigten Rasterelemente enthalten, beispielsweise mehr als 20 oder mehr als 50 oder mehr als 100 oder mehr als 200 - 500 Rasterelemente. Hierdurch kann eine dem Bedarf angepasste, feine Rasterung der erzeugten Intensitätsverteilungen erreicht werden.
Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, bei denen alle Rasterelemente Linsen aus einem für das Licht der Arbeits- Wellenlänge transparenten Material, beispielsweise Kalziumfluorid, bestehen. Je nach Anwendungsbereich können die Rasteranordnungen 35, 40 auch durch Spiegel oder beugende Strukturen gebildet sein. Dadurch können für EUV geeignete Beleuchtungssysteme bereitgestellt werden.
Obwohl eine Einstellung der Beleuchtungsmodi über den Wechsel von diffraktiven optischen Elementen bzw. mehrerer Teilbereiche eines diffraktiven optischen Elements für gewöhnlich ausreichend ist, kann es angezeigt sein, in bestimmten Fällen zusätzlich verstellbare optische Elemente zwischen primärer Lichtquelle und erster Rasteranordnung vorzusehen.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelich- tungsanlage zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes mit dem Licht einer primären Lichtquelle mit: einer optischen Achse (12, 112); einer Lichtverteilungseinrichtung (55, 155) zum Empfang von Licht der primären Lichtquelle (11 ) und zur Erzeugung einer vorgebbaren, zweidimensionalen Intensitätsverteilung aus dem Licht der primären Lichtquelle in einer ersten Fläche (25) des Beleuchtungssystems; einer ersten Rasteranordnung (35, 135) mit ersten Rasterelementen (36, 136) zum Empfang der räumlichen, zweidimensionalen Intensitätsverteilung und zur Erzeugung einer Rasteranordnung sekundärer Lichtquellen; einer zweiten Rasteranordnung (40, 140) mit zweiten Rasterelementen (41 , 141 ) zum Empfang von Licht der sekundären Lichtquellen und zur mindestens teilweisen Überlagerung von Licht der sekundären Lichtquellen in dem Beleuchtungsfeld (51 , 151); wobei die Lichtverteilungseinrichtung mindestens ein diffraktives optisches Element (21 , 121) zur Erzeugung einer Winkelverteilung umfasst, deren Fernfeld getrennte oder zusammenhängende Leuchtzonen (70, 72) aufweist, die in Form und Größe auf die Form und Größe der ersten Rasterelemente (36, 136) der ersten Raster- anordnung abgestimmt sind.
2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 , bei dem das diffraktive optische Element (21 , 121 ) zur Einstellung einer zweidimensionalen Intensitätsverteilung in der ersten Fläche (35) derart ausgebildet ist, dass durch die Intensitätsverteilung alle zu einer vorgegebenen Austrittslichtverteilung gehörenden ersten Rasterelemente (70, 72) im wesentlichen vollständig ausgeleuchtet werden, während nicht zu der Austrittslichtverteilung beitragende erste Rasterelemente im wesentlichen unausgeleuchtet bleiben.
3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das diffrak- tive optische Element (21 , 121 ) derart ausgestaltet ist, dass die Leuchtzonen (70, 72) eine annähernd kreisförmige, annähernd annulare, oder angenäherte Dipol- oder Multipol-Intensitätsvertei- lung mit einer der Form und Größe der ersten Rasterelemente entsprechenden Rasterung auf den Rasterelementen (36, 136) der ersten Ebene erzeugen.
4. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der primären Lichtquelle (1 1 ) und der ersten Rasteranordnung (35, 135) keine Zoomeinrichtung angeordnet ist.
5. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der primären Lichtquelle (1 1 ) und der ersten Rasteranordnung (35, 135) kein Axikon-System angeordnet ist.
6. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der primären Lichtquelle (11 ) und der ersten Rasteranordnung (35, 135) keine variabel einstellbare Optikkomponente angeordnet ist.
7. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtverteilungseinrichtung eine Wechseleinrichtung (20) zum Austausch eines ersten diffraktiven optischen Elements (21 ) zur Erzeugung einer ersten, zweidimensionalen Intensitätsverteilung gegen mindestens ein zweites, diffraktives optisches Element (22) zur Erzeugung einer zweiten, zweidimensionalen x Intensitätsverteilung, die sich von der ersten Intensitätsverteilung unterscheidet, umfasst.
8. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das diffraktive optische Element (21 ) zwei oder mehr unterschiedlich strukturierte Teilbereiche aufweist, die zur Erzeugung von einer der Anzahl der Teilbereiche entsprechenden Anzahl un- terschiedlicher, zweidimensionaler Lichtverteilungen wahlweise in den Strahlengang des Beleuchtungssystems einbringbar sind.
9. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das diffraktive optische Element (21 ) derart ausgestaltet ist, dass mindestens ein Leuchtzone (72) mindestens ein Rasterelement vollständig ausleuchtet.
10. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das diffraktive optische Element (21 ) derart ausgestaltet ist, dass mindestens ein Leuchtzone (70) mindestens ein Rasterelement bis auf einen schmalen Randbereich (71 ) mit maximaler Intensität ausleuchtet.
11. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die primäre Lichtquelle ein Laser (11 ) ist, der in mindestens einer die Lichtlaufrichtung des Lichts enthaltenden Ebene eine Divergenz DL aufweist, bei dem eine maximale Divergenz des diffraktiven optischen Elements in der Ebene bei D^ax liegt und bei dem eine Anzahl n der Rasterelemente der ersten Rasteranord- nung zur Erzeugung einer Homogenisierungswirkung so vorgegeben ist, dass ein festgelegtes Verhältnis (effektiver Transmissionsgrad T) des mit Flattop-Intensität auf das erste Rasterelement (36, 136) auftreffenden Strahlungsanteils zur gesamten auf das erste Rasterelement (36, 136) auftreffenden Strahlung nicht unter- schritten wird.
12. Beleuchtungssystem nach Anspruch 11 , bei dem der effektive Transmissionsgrad T größer als 70%, vorzugsweise größer als 80% ist
13. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die primäre Lichtquelle ein Laser (11 ) ist, der in mindestens einer die Lichtlaufrichtung des Lichts enthaltenden Ebene eine Divergenz zwischen 0,5 und 1 mrad aufweist, bei dem die maximale Divergenz des diffraktiven Elements (21 , 121 ) in der Ebene bei 30 mrad liegt, und bei dem die Anzahl der Rasterelemente (36, 136) der ersten Rasteranordnung (35, 135) in der Ebene zwischen 10 und 22 liegt.
14. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das diffraktive optische Element (21 , 121 ) als computergeneriertes Hologramm ausgebildet ist.
15. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Rasterelemente (36, 136, 41 , 141 ) der ersten und/oder der zweiten Rasteranordnung als Mikrolinsen ausgebildet sind.
16. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der Nähe der Beleuchtungsfläche (50) oder in der Nähe einer zu dieser konjugierten Ebene (70) eine Abschattungsblende (60, 160) zur Erzeugung eines scharfen Randes der Intensitätsverteilung vorgesehen ist.
17. Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem diffraktiven optischen Element (21 , 121 ) und der ersten Rasteranordnung mindestens eine Fourierlinsenanordnung (23, 123) angeordnet ist.
18. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen mit folgenden Schritten: Beleuchtung eines in einer Objektebene (70) eines Projektionsobjektivs angeordneten Retikels mit dem Licht einer primären Licht- quelle (11) mit Hilfe eines Beleuchtungssystems, das nach einem der Ansprüche 1 bis 17 ausgebildet ist; Erzeugung eines Bildes des Retikels auf einem lichtempfindlichen Substrat; wobei zur Beleuchtung des Retikels das diffraktive optische Element (21 , 121 ) eine zweidimensionale Intensitätsverteilung in Form von Leuchtzonen (70, 72) auf der ersten Fläche (25) des Beleuchtungssystems erzeugt, deren räumliche Verteilung im Wesentlichen der Form einer vorgebbaren Austrittslichtverteilung entspricht.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem ein Wechsel von Beleuchtungsmodi des Beleuchtungssystems ausschließlich durch Austausch des diffraktiven optischen Elements (21 , 121 ) und/oder durch wahlweises Einbringen von unterschiedlich strukturierten Teilbereichen des diffraktiven optischen Elements (21 , 121 ) in den Strahlengang des Beleuchtungssystems durchgeführt wird.
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