DD275934A1

DD275934A1 - REFLECTOR SYSTEM

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. 1The invention comprises a reflector system for generating a defined secondary radiation source with a large aperture from a quasiparallel ray bundle vanishing aperture. A beam is guided through the vertex opening of an ellipsoidal reflector onto a curved reflector. From this, the edge zones of the beam are directed to the ellipsoidal reflector and from there to the secondary focal plane. Through a central transparent recess of the curved reflector, the inner portion of the Strahlbuendels is fed directly to the secondary focal plane. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung ist vorzugsweise für Beleuchtungseinrichtungen konzipiert, insbesondere für fotolithografische Geräte mit einem Laser als Strahlungsquelle.The invention is preferably designed for illumination devices, in particular for photolithographic devices with a laser as the radiation source.

Characteristic of the state of the art Lighting systems have i. a. the task, an extended object plane with a diameter D with an aperture and

η · sin α auszuleuchten.η · sin α illuminate.

The condenser constant C = D · sin α should preferably be between 1.8 and 12 in photolithographic devices. When using an excimer laser as a radiation source, only a condenser constant of about C »0.06 would be achievable,

ausgehend von einem Strahlquerschnitt von 20 χ 20 mm und einer Strahldivergenz von 3 mrad.starting from a beam cross-section of 20 χ 20 mm and a beam divergence of 3 mrad.

It is known to use lenses for Ap / rurvergrößorung, z. 3rd DD-PS 148832, US-PS 3421808. However, the achieved Enlargement of the condenser constant of max. C = 3.5 by the absolutely unfavorable intensity distribution over the Aperture angle not quality determining. In US-PS 4618232 a reflector arrangement for beam expansion Vnes laser parallel bundle is shown, wherein a Collimated laser beam through the apex of a concave planar mirror arrangement meets a convex paraboloid mirror,

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.from which it is reflected on the planar mirror assembly. Thus, the reflected rays come four times from the focus of the paraboloid, which is located in the primary focus of an ellipsoidal curve on which the plane mirrors can be arranged. The centers of the plane mirror reflect the rays occurring there so that they hit the center of the secondary focus, while the falling on the upper or lower edge of the plane mirror rays the upper or

unteren Rand des Feldes in der sekundären Brennweite ausleuchten.illuminate the lower edge of the field in the secondary focal length.

DIo disadvantages are the inefficiency of an inner beam cross-section, which after reflection at the paraboloid the Plane mirror arrangement does not hit or is shadowed by the paraboloid; as well as the possibility that at Quaeiparallolbündol with kleineror divergence (eg Excimorlasor) in the secondary radiation source rays in one place

überlagern können, die vom gleichen Ort des Lasers stammen und daher kohäront sind, was zu Auslöschungen führt.which originate from the same location of the laser and are therefore coherent, resulting in extinctions.

ΖΌΙ der ErfindungΖΌΙ of the invention

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.The object of the invention is to produce a secondary radiation source with the properties of conventional sources of radiation using relatively small means from a small-aperture radiation source and to report the disadvantages of the prior art.

Explanation of the essence of the invention

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.It is the object of the invention to develop a secondary radiation source with an extended luminous field and a high aperture from a radiation source with an extended luminous field and a very small aperture, wherein the energy should be transmitted as completely as possible and the possibility of beam combination of coherent beam components in the secondary radiation source is avoided.

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.This object is achieved by a reflector system for generating a defined secondary large-aperture radiation source which is composed of a first curved reflector for expanding an occurring quaslparal beam and a second concave ellipsoidal reflector having a through-broadened vertex through which the Beam beam is guided to the first reflector, both reflectors are centrally located to a common optical axis, which is identical to the axis of the attributable beam, according to the invention in that the first reflector has a peak height is smaller than the radius of the apex opening of the second reflector and at least as large as half the diameter of the impinging beam and that position and surface shape are set so that the reflected rays are virtually out of the vicinity of the primary focus of the second reflector on this and that the r eflecting surface of the first reflector is interrupted in the vicinity of the vertex, wherein the diameter of this non-reflective surface corresponds to the inner part of the beam, which is not reflected by the second reflector, caused by the apex hole. Dübei it may be particularly advantageous if the first reflector is designed as an optically transparent body with a convex-brushed surface and if the nchtchtlektierende mid-center is a flat surface and the inner part of the beam is passed through this and the reflector body limiting opposite plane surface. Equally useful may be that the first reflector has a central bore.

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.Optionally, it may also be of particular effect if the surface which is not reflective for the inner part of the radiation beam is curved, as well as the beam exit surface.

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.This radiation sources with a very small geometric flux, d. H. extended light field and very small aperture, made available for illumination optics, the greet a geometric flow, d. H. In particular, large aperture, need. Such radiation sources are e.g. Excimer laser. By means of the reflector system according to the invention, a quasi-parallel bundle of small aperture "u" of a high-aperture illumination source is imaged onto a corresponding diameter.

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.A quasi-parallel beam strikes a first curved, spherical and aspheric reflector through a crown hole of an egg-suppotic reflector, which is located near the primary focus of the egg-nucleoid reflector. The first reflector is designed so that the quasi-Paral'elstrahlen incident on him at different heights have been reflected by this, that they come virtually from a certain environment of the primary focus in the direction of the major half-axes on the Elli.jsoidreflektor. Depending on the eccentricity of the EiUpsoidreflektors this forms these rays in corresponding heights within a certain diameter in the axial plane in the secondary focus. In this way, each thrust height in the secondary focus is hit by one beam from each of the upper and lower ellipsoid reflector halves, each with an upper and lower aperture angle and thus completely different regions of the quasi-parallel cross-section that are incoherent with respect to each other.

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.Since the ellipsoidal reflector must be broken at the large apex in order to direct the incident quasi-parallel beam on the convex first reflector and since the rays reflected by this and the ellipsoidal reflector towards the secondary focus are also vignetted by the convex first reflector, a certain internal The area of the quasl parallel bundle can not be used. For this reason, the convex first reflector in this area mechanically or optically receives a hole, bore or planar surfaces in the case of transparent material, in order to be able to utilize this portion of the quasi-parallel hyperbola likewise in the secondary focus. For this purpose, in general a downstream imaging system is required, which at best can be combined with the convex first reflector. In the secondary focus, a third aperture angle (near zero) thus occurs in addition to the energy value in each passage size.

Ausführungsbelsplel The invention is άιιίιαιιυ oinos concrete example and explained in more detail with drawings.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßos Reflektorsystem mit durchbohrtem ersten Reflektor. Fig. 2 zeigt die Reflexlo η am ersten Reflektor.Fig. 1 shows a reflector system according to the invention with a pierced first reflector. Fig. 2 shows the Reflexlo η at the first reflector.

Along the optical axis A are arranged a first reflector 1 and a second reflector 2, in front of an object plane O. The Reflector 1 is located close to the primary focus F1 of the reflector 2. Dio objoktobone O is the domino focus F2 dos Rofloktors

2 stehende senkrechte Ebene. Der Reflektor 2 hat eine, der Strahldurchführung dienende, Scheitelöffnung.2 vertical vertical plane. The reflector 2 has a vertex opening serving as the beam feedthrough.

The reflector system will be explained with a concrete number bullet. It is assumed that when using an Exclmerlasers by means not shown, known per se, the In

das Reflektorsystem eingehende Strahlquerschnitt verrundet wird.the reflector system incoming beam cross section is rounded.

The convex reflector 1, shown in Fig. 2, in the vicinity of the primary focus F1 of the reflector 2, an ellipsoidal reflector with

der Exzentrizität E - 0,745, so angeordnet, daß das von Ihm im Abstrahlwinkelbereich ~ 70Gradbis~ 155Grad reflektierteof eccentricity E - 0.745, arranged so as to reflect from it in the irradiation angle range ~ 70 degrees to ~ 155 degrees

Beam S with an original beam divergence of 15mrad, d. H. elnor aperture of .005, visually from one The primary focus FI from -0.8mm to + 0.6mm. The convex reflector 1 has a spherical surface with the radius r »4,227 and is adjusted so that the radiation angle range of

~ 70 Grad bis ~ 155 Grad den zwoiton Reflektor trifft und daß In der sekundären Brennebene F 2 eine sekundäre~ 70 degrees to ~ 155 degrees meets the zwoiton reflector and that in the secondary focal plane F 2 a secondary

Radiation source O of 4.0mm diameter is illuminated with mean aperture angles of ± 13.1 degrees.

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.Smaller beam angles than 70 degrees and greater than 165 degrees will not hit the second reflector. When a beam S arriving at the reflector 1 with a diameter of 6.8 mm, an edge beam with the incident height h = 3.4 mm is reflected on the first reflector 1 by it, so that it comes virtually from a point which is 0.8 mm before the primary focus F1 of the second reflector 2, with a beam angle of 72.9 degrees. In contrast, a ray with the incidence height h = 1.05 mm has its virtual origin 0.6 mm after the primary focus F1 and an emission angle of 151.2 degrees.

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.All intervening strands fill the 4.0mm secondary radiation source and have their virtual origin in the environment between 0.8mm to + 0.6mm from the primary focus.

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.By the ball reflector 1, an inner beam cross section of the diameter 2.0mm is not available, since these rays do not hit the ellipsoidal edektor 2, caused by the vertex opening.

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.The spherical reflector 1 is used for this inner region of the beam as afocal system by the reflective spherical surface is interrupted in the Scheitet and is formed as a concave transparent surface FE of diameter 2.0mm. The ball reflector 1 is made of transparent, refractive material, in this example as synthetic quartz. The beam exit surface FA is convex and the distance to the concave beam entry surface FE, d. H. the thickness of the spherical reflector 1, is so dimensioned that the inner portion of the RadormbOndols S of 2mm diameter in the secondary focus Beb F2 is widened to the target diameter of 4mm. For this purpose, the radius of the beam entrance surface FE4,227mm, the thickness of the reflector 1 is 10.7 mm and the Strahlaustrittsflächö FA has the radius 7,765mm. As a result, about 30% of the total beam cross section and thus about 9% of the total energy in the secondary focal plane can be used and generate there aperture angle of about Orad. When the transparent vertex surface FE is enlarged, this beam and energy component is increased at the expense of the components transmitted via the second reflector 2. The Aperturwinkelangebot this secondary radiation source is thus variable and much larger than the given without the use of the inner part of the beam 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.The boundary aperture angle range slopes from the center to +21.9 degrees and -7.2 degrees, respectively, with ± 13.1 degrees toward the edge. If this aperture angle distribution of the object to be fulfilled does not suffice, a ground glass screen can additionally be introduced into the secondary focal plane whose half-value angle is determined such that the small aperture angles are filled up and correspondingly larger aperture angles are produced.

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.In the example given, with a half-value angle of 6 degrees, a secondary stiffening nozzle with a diameter of 4.0 mm is formed with intensity-approximately balanced aperture angles of 0 degrees to 28 degrees. This results in a condenser constant of about 1.9, while the incoming laser beam r> twa is 0.055.

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.By appropriately determining the diameter of the quasi-parallel bundle, the convex reflector, the ellipsoidal reflector and the imaging system of the inner beam cross section, it is thus possible to produce a secondary energy source which is almost energy-loss-free and very similar to a classical radiation source.

Claims

1. reflector system for generating a defined secondary radiation source with a large aperture, consisting of a first curved reflector (1) for the purpose of expansion of an impinging quasi-parallel beam (S) and a second, opposite this concave Elüpsoid-Roflektor (2) with a broken vertex through the the beam is guided to the first reflector (1), both reflectors being centered to a common optical axis (A) which is identical to the axis of the incident beam (S) and characterized in that the first reflector has a peak height smaller than the radius of the apex opening of the reflector and at least as large as half the diameter of the impinging beam and that the position and surface shape are set so that the reflected rays are guided visually from the vicinity of the primary focus (F 1) of the second reflector (2) on this and that the reflective FJ the diameter of this non-reflecting surface (FE) corresponds to the inner part of the beam which is not reflected by the second reflector caused by the crown hole.

2. Reflector system according to claim 1, characterized in that that the first reflector (1) is designed as an optically transparent body with a convex mirrored surface.

Reflectors myrtle according to claim 2, characterized in that the non-reflecting apex center (FE) is a flat surface and the inner part of the Strahlenbündefs is passed through this and the reflector body limiting opposite flat surface (FA).

4. reflector system according to claim 1, characterized in that the first reflector has a central bore.

5. reflector system according to claim 2, characterized in that the reflecting surface for the inner part of the beam (FE) is curved, as well as the Strahlanstrichsfläche (FA).