DD275934A1

DD275934A1 - Reflektorsystem

Info

Publication number: DD275934A1
Application number: DD32036688A
Authority: DD
Inventors: Christfried Symanowski
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1988-10-03
Publication date: 1990-02-07

Abstract

Die Erfindung umfasst ein Reflektorsystem zur Erzeugung einer definierten sekundaeren Strahlungsquelle mit grosser Apertur aus einem quasiparallelen Strahlenbuendel verschwindender Apertur. Ein Strahlenbuendel wird durch die Scheiteloeffnung eines Ellipsoidreflektors auf einen gekruemmten Reflektor gefuehrt. Von diesem werden die Randzonen des Strahlenbuendels auf den Ellipsoidreflektor geleitet und von diesem auf die sekundaere Brennebene. Durch eine mittige transparente Aussparung des gekruemmten Reflektors wird der innere Bereich des Strahlenbuendels direkt der sekundaeren Brennebene zugefuehrt. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist vorzugsweise für Beleuchtungseinrichtungen konzipiert, insbesondere für fotolithografische Geräte mit einem Laser als Strahlungsquelle.

Charakteristik des Stande· der Technik Boleuchtungssysteme haben i. a. die Aufgabe, eine ausgedehnte Objektebene mit einem Durchmesser D mit einer Apertur und

η · sin α auszuleuchten.

Die Kondensorkonstante C = D · sin α sollte vorzugsweise bei fotolithografischen Geräten zwischen 1,8 und 12 betragen. Bei der Verwendung eines Excimerlasers als Strahlungsquelle wäre nur eine Kondensorkonstante von etwa C » 0,06 erzielbar,

ausgehend von einem Strahlquerschnitt von 20 χ 20 mm und einer Strahldivergenz von 3 mrad.

Bekannt ist es, Streuscheiben zur Ap?rurvergrößorung einzusetzen,z. 3. DD-PS 148832, US-PS 3421808. Jedoch ist die erreichte Vergrößerung der Kondensorkonstanten von max. C = 3,5 durch die absolut ungünstige Intensitätsverteilung über die Aperturwinkel nicht qualitütsbestimmend. In der US-PS 4618232 wird eine Reflektoranordnung zur Strahlaufweitung Vnes Laserparallelbündels gezeigt, wobei ein Laserstrahlparallelbündel durch den Scheitel einer konkaven Planspiegelanordnung auf einen konvexen Paraboloidspiegel trifft,

von dem es auf die Planspiegelanordnung reflektiert wird. Damit kommen die reflektierten Strahlen viertuell vom Brennpunkt dee Paraboloids her, der sich im primären Brennpunkt einer ellipsoidischen Grundkurve befindet, auf der die Planspiegel angeordnet sein können. Die Mitten der Planspiegel reflektieren die dort auftretenden Strahlen so, daß sie die Mitte des sekundären Fokus treffen, während die auf den oberen bzw. unteren Rand der Planspiegel fallenden Strahlen den oberen bzw.

unteren Rand des Feldes in der sekundären Brennweite ausleuchten.

DIo Nachteile sind die Nichtausnutzbarkeit eines inneren Strahlquerschnittes, der nach Reflexion am Paraboloid die Planspiegelanordnung nicht trifft bzw. vom Paraboloid abgeschattet wird; sowie die Möglichkeit, daß sich beim Quaeiparallolbündol mit geringor Divergenz (z. B. Excimorlasor) in der sekundären Strahlungsquelle Strahlen an einer Stelle

überlagern können, die vom gleichen Ort des Lasers stammen und daher kohäront sind, was zu Auslöschungen führt.

ΖΌΙ der Erfindung

Dio Erfindung hat das Ziel, mit relativ oinfachen Mitteln aus einer kleinaperturigen Strahlungsquelle eine sekundäre Strahlungsquelle mit den Eigenschaften herkömmlicher Strihlungsquellen zu erzeugen und die Nachteile des Standes der Technik zu vermelden.

Darlegung des Wesen» der Erfindung

Aufgabe der Erfindung Ist es, eine sekundäre Strahlungsquelle mit ausgedehntem Leuchtfeld und hoher Apertur aus einer Strahlungsquelle mit ausgedehntem Leuchtfeld und sehr kleiner Apertur zu entwickeln, wobei die Energie möglichst vollständig übertragen werden soll und die Möglichkeit der Strahlvereinigung kohärenter Strahlanteile in der sekundären Strahlungsquelle vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst i'urch ein Reflektorsystem zur Erzeugung einer definierten sekundären Strahlungsquelle mit großer Apertur, das aufgebaut 1st aus einem ersten gekrümmten Reflektor zwecks Aufweitung eines auftretenden quaslparalMen Strahlenbündels und einem zweiten, diesem gegenüberliegenden konkaven Ellipsoid-Reflektor mit durchbrochonetn Scheitel, durch den das Strahlenbündel zum ersten Reflektor geführt wird, wobei beide Reflektoren zentrisch zu einer gemeinsamen optischen Achse liegen, die identisch Ist mit der Achse des entfallenden Strahlenbündels, erfindungsgemäß dadurch, daß der erste Reflektor eine Scheitelhöhe hat kleiner als der Radius der Scheitelöffnung des zweiten Reflektors und mindestens so groß wie der halbe Durchmesser des auftreffenden Strahlenbündels und daß Lage und Überflächenform so festgelegt sind, daß die reflektierten Strahlen virtuell aus der Umgebung des Primärfokus des zweiten Reflektors auf diesen geführt werden und daß die reflektierende Fläche des ersten Reflektors in der Umgebung des Scheitelpunktes unterbrochen ist, wobei der Durchmesser dieser nicht reflektierenden Fläche dem inneren Teil des Strahlenbündels entspricht, der vom zweiten Reflektor, verursacht durch die Scheitelbohrung, nicht reflektiert wird. Dübei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der erste Reflektor als optisch transparenter Körper mit konvexer versplegelter Oberfläche ausgebildet ist und wenn dabei die nlchtreflektierende Scheitelmitte eine Planfläche ist und der innere Teil des Strahlenbündels durch diese und die den Reflektorkörper begrenzende gegenüberliegende Planfläche hindurchgeführt wird. Ebenso nützlich kann es sich erweisen, daß der erste Reflektor eine Mittenbohrung hat.

Wahlenweise kann ein StiOhlenaufweltungssystem nachgeordnet · n. Von besonderem Effekt ist es unter Umständen auch, wenn die für den inneren Teil des Strahlenbündels nicht reflektierende Fläche gekrümmt Ist, ebenso wie die Strahlaustrittsfläche.

Damit werden Strahlungsquellen mit einem sehr kleinen geometrischen Fluß, d. h. ausgedehntem Leuchtfeld und sehr kleiner Apertur, für Beleuchtungsoptiken nutzbar gemacht, die einen grüßen geometrischen Fluß, d. h. Insbesondere große Apertur, benötigen. Derartige Strahlungsquellen sind z.B. Excimerlaser. Mittels des erfindungsgemäßen Reflektorssystems wird ein auf einen entsprechenden Durchmesser zwischenabgebildetes Quasi-Parallelbündel geringer Apertur «u einer hochaperturigen Beleuchtungsquello.

Ein quasiparalleles Strahlenbündel trifft durch eine Scheitelbohrung eines EiUpsoidreflektors auf einen ersten gekrümmten, sphärischen und asphärischen Reflektor, der in der Nähe des Primärfokus des EiUpsoidreflektors angeordnet ist. Der erste Reflektor ist so gestaltet, daß die auf ihn in verschiedenen Höhen einfallenden Quasi-Paral'elstrahlen so von diesem reflektiert worden, daß sie virtuell aus einer gewissen Umgebung des Primärfokus in Richtung der großen Halbachsen auf den Elli.jsoidreflektor kommen. Dieser bildet diese Strahlen je nach Exzentrlzsität des EiUpsoidreflektors in entsprechende Höhen innerhalb eines gewissen Durchmessers in der achssenkrechten Ebene im Sekundärfokus ab. Auf diese Weise wird jede Du/chstoßhöhe im Sekundärfokus von je einem Strahl aus der oberen und unteren Ellipsoidreflektorhälfte mit je einem oberen und unteren Aperturwinkel und damit aus völlig verschiedenen Bereichen des Quasiparallelstrahlquorschnittes, die zueinander inkohärent sind, getroffen.

Da der Ellipsoidreflektor am großen Scheitel durchbrochen sein muß, um das einfallende Quasi-Parallelbündel auf den konvexen ersten Reflektor richten zu können und da die von diesem und dem Ellipsoidreflektor in Richtung Sekundärfokus reflektierten Strahlen auch von dem konvexen ersten Reflektor vignettiert werden, kann ein gewisser innerer Bereich des Quasl-Parallelbündels nicht verwendet werden. Aus diesem Grund erhält der konvexe erste Reflektor in diesem Bereich mechanisch oder optisch ein Loch, Bohrung bzw. Planflächen bei transparentem Material, um diesen Anteil des Quasi-Parallelberelches ebenfalls Im Sekundärfokus nutzbar machen zu können. Dazu ist fm allgemeinen ein nachgelagertes Abbildungssystem erforderlich, das günstigstenfalls mit dem konvexen ersten Reflektor kombiniert sein kann. Im Sekundärfokus tritt dadurch neben dem Energiegewli.n auch in jeder Durchlaßgröße ein dritter Aperturwinkel (nahe Null) auf.

Ausführungsbelsplel Die Erfindung wird άιιίιαιιυ oinos konkreten Beispiels und mit Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßos Reflektorsystem mit durchbohrtem ersten Reflektor. Fig. 2 zeigt die Reflexlo η am ersten Reflektor.

Entlang dor optischen Achse A sind angeordnet ein erster Reflektor 1 und ein zweiter Reflektor 2, vor einer Objektebene O. Der Reflektor 1 liegt dicht vor dem Primärfokus F1 des Reflektors 2. Dio Objoktobone O ist die in dom Sokundärfokus F2 dos Rofloktors

2 stehende senkrechte Ebene. Der Reflektor 2 hat eine, der Strahldurchführung dienende, Scheitelöffnung.

Mit einem konkreten Zahlenbelsplel soll das Reflektorsystem erläutert werden. Es wird davon ausgegangen, daß bei Verwendung eines Exclmerlasers durch nicht dargestellte, an sich bekannte Mittel der In

das Reflektorsystem eingehende Strahlquerschnitt verrundet wird.

Der konvexe Reflektor 1 wird, dargestellt in Fig. 2, in der Nähe des Primärfokus F1 des Reflektors 2, eines Ellipsoidreflektors mit

der Exzentrizität E - 0,745, so angeordnet, daß das von Ihm im Abstrahlwinkelbereich ~ 70Gradbis~ 155Grad reflektierte

Strahlenbündel S mit einer ursprünglichen Strahldivergenz von 15mrad, d. h. elnor Apertur von 0,005, visuell aus einer Umgebung des Primärfokus FI von -0,8mm bis +0,6mm stammen. Der konvoxe Reflektor 1 hat olne Kugelfläche mit dem Radius r » 4,227 und Ist so justier«, daß dor Abstrahlwinkelbereich von

~ 70 Grad bis ~ 155 Grad den zwoiton Reflektor trifft und daß In der sekundären Brennebene F 2 eine sekundäre

Strahlungsquelle O von 4,0mm Durchmesser mit mittleren Aperturwinkoln von ± 13,1 Grad ausgeleuchtet wird.

Kleinere Abstrahlwinkel als 70 Grad und größere als 165 Grad treffen den zweiten Reflektor nicht. Bei einem auf den Reflektor 1 eintreffenden Strahl S mit einem Durchmesser von 6,8mm wird ein Randstrahl mit der Einfallshöhe h = 3,4 mm auf dem ersten Reflektor 1 von diesem so reflektiert, daß er virtuell aus einem Punkt kommt, der 0,8mm vor dem Primärfokus F1 des zweiten Reflektors 2 liegt, mit einem Abstrahlwinkel von 72,9 Grad. Ein Strahl mit der Einfallshöhe h = 1,05 mm dagegen hat seinen virtuellen Ursprung 0,6mm nach dem Primärfokus F1 und einen Abstrahlwinkel von 151,2 Grad.

Alle dazwischenliegenden Strählen füllen die sekundäre Strahlungsquelle im Durchmesser 4,0mm und haben ihren virtuellen Ursprung in der Umgebung zwischen 0,8 mm bis +0,6 mm vom Primärfokus.

Durch den Kugelreflektor 1 bleibt ein innerer Strahlquerschnitt vom Durchmesser 2,0mm nicht nutzbar, da diese Strahlen den Ellipsoid-edektor 2 nicht treffen, verursacht durch die Scheitelöffnung.

Der Kugelreflektor 1 wird für diesen inneren Bereich des Strahlenbündels als afokales System genutzt, indem die reflektierende Kugelfläche im Scheitet unterbrochen ist und als konkave transparente Fläche FE vom Durchmesser 2,0mm ausgebildet ist. Der Kugelreflektor 1 besteht aus transparentem, brechenden Material, in diesem Beispiel als synthetischem Quarz. Die Strahlaustrittsfläche FA ist konvex und der Abstand zur konkaven Strahleintrittsfläche FE, d. h. die Dicke des Kugelreflektors 1, Ist so bemessen, daß der innere Bereich des StrahlungsbOndols S von 2mm Durchmesser in der sekundären Fokusebone F2 auf den Solldurchmesser von 4mm aufgeweitet wird. Dazu ist der Radius der Strahleintrittsfläche FE4,227mm, die Dicke des Reflektors 1 10,7 mm und die Strahlaustrittsflächö FA hat den Radius 7,765mm. Dadurch werden etwa 30% des gesamten Strahlquerschnitts und damit etwa 9% der Gesamtenergie in der sekundären Brennebene nutzbar und erzeugen dort Aperturwinkel von ungefähr OGrad. Bei Vergrößerung der transparenten Scheitelfläche FE wird dieser Strahl- und Energieanteil zu Lasten der über den zweiten Reflektor 2 übertragenen Anteile erhöht. Das Aperturwinkelangebot dieser sekundären Strahlungsquelle ist somit variierbar und wesentlich größer als der ohne die Nutzung des inneren Teiles des Strahles gegebene Grenzaperturwinkel.

Der Grenzaperturwinkelbereich neigt sich von der Mitte mit ±13,1 Grad zum Rand hin auf +21,9 Grad bzw. -7,2 Grad. Genügt diese Aperturwinkelverteilung der zu erfüllenden Aufgabe nicht, so kann zusätzlich eine Mattscheibe in die sekundäre Brennebene eingebracht werden, deren Halbwertswinkel so bestimmt ist, daß die kleinen Aperturwinkel aufgefüllt werden und entsprechend größere Aperturwinkel entstehen.

Im gegebenen Beispiel entsteht bei einem Halbwertswinkel von 6 Grad eine sekundäre Stiahlungsqueile mit dem Durchmesser 4,0mm mit intensitätsmäßig etwa ausgeglichenen Aperturwinkeln von 0 Grad bis 28 Grad. Damit ergibt sich eine Kondensor-Konstante von etwa 1,9, während die des eintreffenden Laserstrahlbündels r>twa 0,055 ist.

Bei entsprechender Bestimmung des Durchmessers des Quasiparallelbündels, des konvexen Reflektors, des Ellipsoidroflektors und des Abbildungssystems des inneren Strahlquerschnitts kann so eine nahezu energieverlustfreie sekundäre Strahlungsquelle erzeugt werden, die in ihren Eigenschaften einer klassischen Strahlungsquelle sehr ähnlich ist.

Claims

1. Reflektorsystem zur Erzeugung einer definierten sekundären Strahlungsquelle mit großer Apertur, bestehend aus einem ersten gekrümmten Reflektor (1) zwecks Aufweitung eines auftreffenden quasiparallelen Strahlenbündels (S) und einem zweiten, diesem gegenüberliegenden konkaven Elüpsoid-Roflektor (2) mit durchbrochenem Scheitel, durch den das Strahlenbündel zum ersten Reflektor (1) geführt wird, wobei beide Reflektoren zentrisch zu einer gemeinsamen optischen Achse (A) liegen, die identisch ist mit der Achse des einfallenden Strahlenbündels (S) und dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reflektor eine Scheitelhöhe hat kleiner als der Radius der Scheitelöffnung des Reflektors und mindestens so groß wie der halbe Durchmesser des auftreffenden Strahlenbündels und daß Lage und Oberflächenform so festgelegt sind, daß die reflektierten Strahlen visuell aus der Umgebung des Primärfokus (F 1) des zweiten Reflektors (2) auf diesen geführt werden und daß die reflektierende F.Jche des ersten Reflektors in der Umgebung des Scheitelpunktes (FE) unterbrochen ist, wobei der Durchmesser dieser nicht reflektierenden Fläche (FE) dem inneren Teil des Strahlenbündels entspricht, der vom zweiten Reflektor, verursacht durch die Scheitelbohrung, nicht reflektiert wird.

2. Reflektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß der erste Reflektor (1) als optisch transparenter Körper mit konvexer verspiegelter Oberfläche ausgebildet ist.

3. Reflektorsyrtem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtreflektierende Scheitelmitte (FE) eine Planfläche ist und der innere Teil des Strahlenbündefs durch diese und den Reflektorkörper begrenzende gegenüberliegende Planfläche (FA) hindurchgeführt wird.

4. Reflektorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reflektor eine Mittenbohrung hat.

5. Reflektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für den inneren Teil des Strahlenbündels reflektierende Fläche (FE) gekrümmt ist, ebenso wie die Strahlanstrichsfläche (FA).