DE10132988A1

DE10132988A1 - Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE10132988A1
Application number: DE10132988A
Authority: DE
Inventors: Jess Koehler; Johannes Wangler; Nils Dieckmann
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: DE10132988B4; US6707537B2; US20030030780A1

Abstract

Eine Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere für die Mikrolithographie, dient zur Erzeugung eines Bildes eines in einer Objektebene angeordneten Objekts (3) in einer Bildebene. Dazu dient eine Projektionslicht (7) emittierende Lichtquelle (1), eine im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (1) und der Objektebene angeordnete Beleuchtungsoptik (14, 9, 10, 2, 8, 4, 5, 6) und eine im Strahlengang zwischen der Objektebene und der Bildebene angeordnete Projektionsoptik. Im Bereich einer Feldebene der Beleuchtungsoptik (14, 9, 10, 2, 8, 4, 5, 6) ist mindestens ein optisches Element (9, 10) angeordnet, welches die Beleuchtungswinkelverteilung des durchtretenden Projektionslichts (7) ändert. Die durch das optische Element (9, 10) aufgeprägte Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung ist nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse. Das optische Element (9, 10) ist in unterschiedlichen Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbar. Mit einem derartigen optischen Element (9, 10) läßt sich die Symmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung flexibel beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere für die Mikrolithographie, zur Erzeugung eines Bildes eines in einer Objektebene angeordneten Objekts in einer Bildebene mit einer Projektionslicht emittierenden Lichtquelle, mit einer im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Objektebene angeordneten Beleuchtungsoptik und mit einer im Strahlengang zwischen der Objektebene und der Bildebene angeordneten Projektionsoptik, wobei im Bereich einer Feldebene der Beleuchtungsoptik mindestens ein optisches Element angeordnet ist, das die Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts in der Objektebene ändert, wobei die durch das optische Element aufgeprägte Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung in der Objektebene nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ist.

Der Begriff "Beleuchtungswinkelverteilung" bezeichnet die Energie des Beleuchtungslichts in Abhängigkeit von der Strahlrichtung des Beleuchtungslichts. Beispiele für Lichtquellen mit einer rotationssymmetrischen Beleuchtungswinkelverteilung sind eine kugelförmig abstrahlende Lichtquelle oder ein Laser in einer TEM₀₀-Grundmode.

Zur Charakterisierung nicht rotationssymmetrischer (oder rotationsasymmetrischer) Beleuchtungswinkelverteilungen wird im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung in erster Näherung eine Größe eingesetzt, die als Elliptizität bezeichnet wird. Die Elliptizität eines Strahlen verschiedener Richtung enthaltenden Projektionslichtbündels wird durch Projektion eines die Strahlrichtungen des Projektionslichtbündels repräsentierenden Richtungsvektorbündels in eine Ebene senkrecht zur optischen Achse bestimmt. Diese Ebene, in der sich alle Richtungsvektoren des Richtungsvektorbündels schneiden, wird hierzu in vier Sektoren, in diesem Fall also in Quadranten, unterteilt, welche beispielsweise im Uhrzeigersinn von 1 bis 4 durchnumeriert werden.

Jeder Richtungsvektor hat dabei eine Länge, die der in dieser Richtung abgestrahlten Projektionslichtenergie entspricht. Zur Bestimmung der Elliptizität wird eine Integration der sich ergebenden Projektionen der Richtungsvektoren des Richtungsvektorenbündels getrennt in den vier Quadranten durchgeführt, wobei für die vier Quadranten die Energie-Integrationswerte E₁ bis E₄ resultieren.

Die Elliptizität ergibt sich dann als Verhältnis:

(E₁ + E₃)/(E₂ + E₄)

Die Abweichung des Wertes der Elliptizität von 1 ist ein Maß für die Abweichung der Beleuchtungswinkelverteilung von der Rotationssymmetrie in erster Näherung. Es ist klar, daß durch Aufteilung der Projektionsebene in eine größere Anzahl von Sektoren eine entsprechend bessere Beschreibung der Symmetrieverhältnisse der Beleuchtungswinkelverteilung ermöglicht wird. So kann durch eine Verdoppelung von 4 auf 8 Sektoren nicht nur eine 2-zählige Abweichung von der Rotationssymmetrie beschrieben werden, wie dies bei der Elliptizität der Fall ist, sondern eine 4-zählige Abweichung. Für die nachfolgende Beschreibung dient die Elliptizität als nicht einschränkendes Beispiel für eine nicht rotationssymmetrische Beleuchtungswinkelverteilung, die in der Praxis auch in höheren Ordnungen (höheren Zähligkeiten) nicht rotationssymmetrisch sein kann.

Eine Projektionsbelichtungsanlage der eingangs genannten Art ist aus der DE 195 20 563 A1 bekannt. Die die Beleuchtungswinkelverteilung in nicht rotationssymmetrischer Weise beeinflussenden optischen Elemente dienen hier dazu, ein Projektionslichtbündel derart zu formen, daß die rechteckige Eintrittsfläche eines Glasstabs, der zur Homogenisierung des Projektionslichts in der Beleuchtungsoptik eingesetzt ist, möglichst effizient ausgeleuchtet wird.

Bei Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere bei solchen, die mit Projektionslicht im tiefen Ultraviolett (DUV) arbeiten, existiert eine Reihe von Mechanismen, die zu nicht rotationssymmetrischen Änderungen in der Beleuchtungswinkelverteilung bei der Beleuchtung des Objekts führen, wobei diese Änderungen in der Regel korrigiert werden müssen. Derartige Mechanismen sind beispielsweise eine nicht rotationssymmetrische Lichtverteilung aus der Lichtquelle, optische Elemente in der Beleuchtungsoptik mit nicht rotationssymmetrischen Abbildungseigenschaften wie zum Beispiel ein nicht rotationssymmetrisch abbildendes diffraktives optisches Element oder ein Glasstab mit nicht rotationssymmetrischem Querschnitt. Ferner kommen abhängig von den Beleuchtungsverhältnissen der Beleuchtungs- oder Projektionsoptik auch die beleuchtungsinduzierte Ausdehnung oder die beleuchtungsinduzierte Änderung des Brechungsindex optischer Komponenten in Frage, die Einfluss auf nicht rotationssymmetrische Abbildungseigenschaften von diesen nehmen können. Auch bei bestimmten Anwendungen von Projektionsbelichtungsanlagen, zum Beispiel bei Retikel-Strukturen mit Vorzugsrichtungen kann eine gezielt einstellbare nicht rotationssymmetrische Beleuchtungswinkelverteilung erwünscht sein.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsbelichtungsanlage der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Symmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung flexibler beeinflußt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das optische Element in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbar ist.

Erfindungsgemäß läßt sich der Grad der Rotationsasymmetrie durch die Wahl des optischen Elements und durch dessen Winkelstellung einstellen. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, eine in anderen Komponenten der Beleuchtungs- oder Projektionsoptik hervorgerufene nicht rotationssymmetrische Beleuchtungswinkelverteilung zu symmetrisieren. Alternativ kann der über das verdrehbare optische Element einstellbare Anteil der nicht rotationssymmetrischen Beleuchtungswinkelverteilung zur gezielten Vorgabe einer nicht rotationssymmetrischen Beleuchtungswinkelverteilung für bestimmte Beleuchtungszwecke eingesetzt werden.

Das optische Element kann um eine Achse senkrecht zur Feldebene verdrehbar sein. Ein derartiges optisches Element läßt sich auf einfache Weise in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene einstellen.

Alternativ kann zur Beeinflussung der Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts in der Objektebene eine Mehrzahl optischer Elemente in einem Wechselhalter vorgesehen sein, die austauschbar in den Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage eingebracht werden können. Die relative Winkellage der einzelnen optischen Elemente kann hier in dem Wechselhalter bereits vorjustiert sein, so daß beim Einbringen des optischen Elements in den Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage keine Feinjustage der Winkelstellung mehr erforderlich ist.

Das in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbare optische Element kann ein diffraktives optisches Element sein. Derartige optische Elemente können so ausgeführt sein, daß nur wenig Material vom Projektionslicht durchtreten werden muß. Andererseits kann die abbildende Wirkung diffraktiver optischer Elemente in weiten Bereichen bei deren Herstellung variiert werden.

Das in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbare optische Element kann ein Rasterelement mit einer zweidimensionalen Rasterstruktur sein, die aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden Einzelstrukturen mit gleicher Flächengestalt aufgebaut ist. Solche Rasterelemente können diffraktiv, alternativ aber auch refraktiv in Form zum Beispiel eines Linsenarrays oder auch reflektiv wirken. Derartige optische Elemente, bei denen z. B. über die Gestaltung der Einzelstrukturen die nicht rotationssymmetrische Beeinflussung der Beleuchtungswinkelverteilung vorgegeben werden kann, lassen sich mit vertretbarem Aufwand herstellen.

Bevorzugt grenzen die Einzelstrukturen lückenlos aneinander an. Auf diese Weise lassen sich optische Elemente mit hoher Effizienz für das von ihnen beeinflusste Projektionslicht realisieren.

Die Einzelstrukturen können so ausgeführt sein, daß eine durch sie aufgeprägte nicht rotationssymmetrische Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung zumindest zum Teil auf einer inhomogenen Beugungsbeeinflussung des Projektionslichts beruht. In diesem Fall sind die Beugungsstrukturen innerhalb einer Einzelstruktur so ausgeführt, daß das von einer Einzelstruktur beeinflusste Projektionslicht in seiner Beleuchtungswinkelverteilung nicht rotationssymmetrisch geändert wird. Die Form der Begrenzung derartiger Einzelstrukturen kann dann in gewissen Grenzen frei gewählt werden, so daß Einzelstrukturen mit besonders einfach herstellbarer Begrenzungsform gewählt werden können. Über die Gestaltung der Beugungsstrukturen innerhalb einer Einzelstruktur lassen sich relativ komplexe Abweichungen der Beeinflussung der Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts von der Rotationssymmetrie realisieren.

Alternativ, aber auch zusätzlich können die Einzelstrukturen derart ausgeführt sein, daß die durch die aufgeprägte nicht rotationssymmetrische Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung zumindest zum Teil auf einer nicht rotationssymmetrischen Begrenzung der Einzelstrukturen beruht. Über die Flächengestalt der Einzelstrukturen läßt sich die Beeinflussung der Beleuchtungswinkelverteilung durch das in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbare optische Element vorgeben. Je stärker sich zum Beispiel bei einer als sammelnde oder zerstreuende Linse wirkenden Einzelstruktur die Flächeninhalte der einzelnen Quadranten der Einzelstruktur unterscheiden, desto größer ist die Beeinflussung der Elliptizität der Beleuchtungswinkelverteilung eines derartige Einzelstrukturen aufweisenden optischen Elements.

Eine Einzelstruktur kann die Form eines Sechsecks haben. Derartige optische Elemente sind bekannt. Da sich die Flächeninhalte der Quadranten eines Sechsecks nur relativ gering unterscheiden, ist mit derartigen Einzelstrukturen eine feine Abstimmung der Beleuchtungswinkelverteilung möglich. Alternativ können die Einzelstrukturen auch andere Formen aufweisen, z. B. als Sechsecke mit einander gegenüberliegenden verlängerten Seiten, als Rechtecke oder als andere Strukturen, mit denen ein vorzugsweise lückenloser Flächenaufbau möglich ist, ausgebildet sein.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens zwei optische Elemente auf, die jeweils im Bereich einer Feldebene der Beleuchtungsoptik angeordnet sind, die Beleuchtungswinkelverteilung des durchtretenden Projektionslichts ändern und unabhängig voneinander in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbar sind. Eine derartige Anordnung erhöht die Anzahl der einstellbaren Freiheitsgrade zur Vorgabe einer bestimmten Beleuchtungswinkelverteilung. Insbesondere läßt sich der Grad der durch die beiden optischen Elemente hervorgerufenen Rotationsasymmetrie einstellen.

Dabei kann in einer Relativstellung der optischen Elemente keine Änderung der Symmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung resultieren. Mit einer Anordnung, die eine derartige "Neutralstellung" zuläßt, läßt sich auf einfache Weise die Symmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung der sonstigen optischen Komponenten der Projektionsbelichtungsanlage zu Kontrollzwecken ermitteln.

Bevorzugt ist eine Antriebseinrichtung vorgesehen, die mit dem in unterschiedliche Winkelstellungen anordenbaren optischen Element gekoppelt ist. Eine derartige, z. B. als Schrittmotor ausgeführte Antriebseinrichtung läßt eine reproduzierbare Einstellung der Position des optischen Elements zu.

Zusätzlich kann eine mit der Antriebseinrichtung zusammenarbeitende Steuereinrichtung vorgesehen sein, die abhängig von einer vorgegebenen Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts in der Objektebene die Antriebseinrichtung zur Einstellung einer vorgegebenen Position des in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbaren optischen Elements ansteuert. Die Einstellung der Beleuchtungswinkelverteilung kann auf diese Weise, nachdem eine entsprechende Vorgabe erfolgt ist, automatisiert werden. Die Vorgabe kann dabei z. B. durch automatisches Lesen von dem Objekt zugeordneter Information erfolgen, so daß auch beim Wechsel der Art des Objekts das Projektionsbelichtungsverfahren automatisiert ablaufen kann.

Dabei kann mindestens eine mit der Steuereinrichtung zusammenarbeitende Detektoreinrichtung zur Erfassung der Intensitätsverteilung des Projektionslichts in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse vorgesehen sein. Mit Hilfe einer derartigen Detektoreinrichtung kann die Intensitätsverteilung des Projektionslichts überwacht werden, woraus Rückschlüsse auf die Wirkung des bzw. der in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbaren optischen Elements bzw. Elemente gezogen werden können.

Die Detektoreinrichtung kann ein zweidimensionales CCD- Array aufweisen. CCD-Arrays sind lichtempfindlich und haben eine hohe Positionsauflösung.

Die Detektoreinrichtung kann derart ausgeführt sein, daß sie die Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts in der Objektebene ermittelt. Dadurch ist eine direkte Rückkopplung möglich, bei der die gemessene Beleuchtungswinkelverteilung mit einem Soll-Wert verglichen wird. Diese Information kann dann zur Korrektur der Beleuchtungswinkelverteilung mit Hilfe des bzw. der in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbaren optischen Elements bzw. Elemente herangezogen werden. Bei Verwendung eines optischen Elements, das über eine Antriebseinrichtung in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbar ist, kann die Rückkopplung in einem Regelkreis erfolgen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Übersicht eines Ausschnitts einer Projektionsbelichtungsanlage, der insbesondere die Beleuchtungsoptik zeigt;
Fig. 2 einen Teil eines in der Projektionsbelichtungsanlage von Fig. 1 eingesetzten diffraktiven optischen Elements in Aufsicht; und
Figuren alternative diffraktive optische Elemente in 3 und 4 einer zu Fig. 2 ähnlichen Darstellung.
Der in Fig. 1 dargestellte Ausschnitt einer Projektionsbelichtungsanlage dient zur Vorgabe und Formung von Projektionslicht zur Beleuchtung eines Retikels 3, das eine Struktur trägt, die mittels einer nicht dargestellten Projektionsoptik auf einen ebenfalls nicht dargestellten Wafer übertragen wird. Die Gesamtheit der nachfolgend noch näher beschriebenen optischen Komponenten, die dieser Formung des Projektionslichts dienen, wird auch als "Beleuchtungsoptik" bezeichnet.
Als Projektionslichtquelle dient ein Laser 1. Dieser ist ein in der Mikrolithographie im tiefen Ultraviolett (DUV) gebräuchlicher ArF-Excimer-Laser mit 193 nm Wellenlänge oder ein F₂-Laser bei 157 nm Wellenlänge. Er erzeugt ein in Fig. 1 nur bereichsweise dargestelltes Projektionslichtbündel 7.
Ein Strahlaufweiter 14, z. B. ein Teleskop oder eine Spiegelanordnung, dient zur Reduktion der Strahldivergenz und zur Vergrößerung des Strahlquerschnitts des Projektionslichtbündels 7, z. B. auf ein Rechteck mit typischen Seitenlängen von y = 35 ± 10 mm und x = 10 ± 5 mm.
Nach Durchtreten des Strahlaufweiters 14 passiert das Projektionslichtbündel 7 zwei längs der optischen Achse der Beleuchtungsoptik hintereinander angeordnete diffraktive optische Elemente 9, 10. Die beiden diffraktiven optischen Elemente 9, 10, die nachfolgend anhand der Fig. 2 näher beschrieben werden, sind im Bereich einer Feldebene der Beleuchtungsoptik angeordnet.
In Fig. 2 ist ein Ausschnitt des vom Projektionslichtbündel 7 zuerst durchstrahlten diffraktiven optischen Elements 9 gezeigt, der drei sechseckige Einzelstrukturen 11 umfaßt. Eine Vielzahl derartiger Einzelstrukturen 11, die lückenlos aneinander angrenzen, bildet das diffraktive optische Element 9 als zweidimensionale Rasterstruktur. Die sechseckigen Einzelstrukuren 11 haben eine Seitenlänge von ca. 1 mm.
Jede Einzelstruktur 11 ist eine beugende zerstreuende diffraktive Linse. Sie weist in der Darstellung der Fig. 2 drei ringförmige Strukturen 15 bis 17 auf. In der Praxis kann auch eine sehr viel größere Anzahl ringförmiger Strukturen 15 bis 17 innerhalb einer Einzelstruktur 11 vorliegen. Die ringförmigen Strukturen 15 bis 17 haben eine Dicke in der Größenordnung der Wellenlänge des Projektionslichts. Die ringförmigen Strukturen 15 bis 17 werden durch Photolithografie und Ätzen hergestellt.
Eine Einzelstruktur 12 des diffraktiven optischen Elements 10, das genauso aufgebaut ist wie das diffraktive optische Element 9, ist in Fig. 2 durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Die Einzelstruktur 12 ist gegenüber der Einzelstruktur 11 so verdreht, daß die Winkelposition einer Ecke der Einzelstruktur 12 mit der Winkelposition einer Seitenmitte der Einzelstruktur 11 übereinstimmt.
Die beiden diffraktiven optischen Elemente 9, 10 sind, wie in Fig. 1 durch ein Gestänge angedeutet, über mechanische Komponenten 18, 19 mit einer Antriebseinrichtung 20 gekoppelt. Letztere steht über eine Steuerleitung 23 mit einer Steuereinrichtung 24 in Verbindung.
Die diffraktiven optischen Elemente 9, 10 sind im Bereich einer Objektebene eines Objektivs 2 angeordnet. Letzteres ist ein Zoom-Objektiv mit Zoom-Linse 22 und integriertem Axikon-Paar 21. Mittels der Zoom-Linse 22 kann die Brennweite des Objektivs 2 über einen relativ großen Bereich eingestellt werden, so daß Beleuchtungssettings mit verschiedenen maximalen Beleuchtungswinkeln erzeugt werden können. Durch Verstellen des Axikon-Paars 21 lassen sich zudem angepaßte annulare Beleuchtungssettings einstellen.
Hinter dem Objektiv 2 ist ein weiteres diffraktives optisches Element 8 angeordnet, dessen Rasteraufbau demjenigen der diffraktiven optischen Elemente 9 und 10 entspricht, wobei jedoch Einzelstrukturen mit anderer Flächengestalt eingesetzt sein können. Beispiele für derartige Einzelstrukturen werden nachfolgend noch gegeben.
Nach Durchgang durch das diffraktive optische Element 8 durchläuft das Projektionslichtbündel 7 ein Objektiv 4. Dieses überträgt das Projektionslichtbündel 7 auf die Eintrittsfläche 5e eines Glasstabs 5, der durch mehrfache innere Reflexion das Licht mischt und homogenisiert. Im Bereich der Austrittsfläche 5a des Glasstabs 5 befindet sich eine Feldebene der Beleuchtungsoptik, in der ein Reticle-Masking-System (REMA) angeordnet ist. Letzteres ist gebildet durch eine verstellbare Feldblende 51.
Nach Passieren der Feldblende 51 durchtritt das Projektionslichtbündel 7 ein weiteres Objektiv 6 mit Linsengruppen 61, 63, 65, Umlenkspiegel 64 und Pupillenebene 62. Das Objektiv 6 bildet die Feldebene der Feldblende 51 auf das Retikel 3 ab.
In Belichtungspausen kann in die Linsengruppe 63 mittels einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung ein CCD-Array 66 eingeschoben werden. Dieses ist Teil einer Detektoreinrichtung, mit der eine Intensitätsverteilung des Projektionslichtbündels 7 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse gemessen werden kann. Das CCD-Array 66 steht über eine Datenleitung 67 mit einer Detektorsteuereinrichtung 68 in Verbindung. Letztere ist über eine Leitung 69 mit der Steuereinrichtung 24 verbunden.
Nachfolgend wird die Wirkung der diffraktiven optischen Elemente 8 bis 10 auf die Beleuchtungswinkelverteilung des sie durchlaufenden Projektionslichtbündels 7 beschrieben:
In die in Fig. 2 untere rechte Einzelstruktur 11 sind als gedankliche Trennlinien zwei sich rechtwinklig kreuzende gestrichelte Linien eingezeichnet, die die Einzelstruktur 11 in vier Quadranten I bis IV unterteilen. Die Quadranten II und IV weisen einen größeren Flächeninhalt auf als die Quadranten I und III. Wenn die Einzelstrukturen 11 der Fig. 2 daher homogen vom Projektionslichtbündel 7 beleuchtet werden, durchtritt folglich eine größere Projektionslichtmenge die Quadranten II und IV, verglichen mit der Projektionslichtmenge, die die Quadranten I und III durchtritt. Es wird daher aufgrund der zerstreuenden Wirkung der Einzelstrukturen 11 von jeder Einzelstruktur 11 mehr Licht in Fig. 2 nach oben und unten als nach rechts oder links gestreut.
Insgesamt wird daher durch das diffraktive optische Element 9 eine Elliptizität der Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts aufgeprägt.
Analog zum oben im Zusammenhang mit der Einzelstruktur 11 Ausgeführten wird von den Einzelstrukturen 12 des diffraktiven optischen Elements 10 mehr Licht in Fig. 2 nach rechts und links als nach oben oder unten gestreut. Die die Elliptizität der Beleuchtungswinkelverteilung veranschaulichende Ellipse ist beim diffraktiven Element 10 mit Einzelstrukturen 12 in der in Fig. 2 gezeigten Position im Vergleich zum diffraktiven optischen Element 9 um 90° gedreht.
Das diffraktive optische Element 8 dient zur Anpassung des Aspektverhältnisses des Projektionslichtbündels 7 an das Aspektverhältnis der Eintrittsfläche 5e des Glasstabs 5.
Durch die nichtrotationssymmetrische Wirkung der diffraktiven optischen Elemente 8 bis 10 läßt sich entweder eine insgesamt nichtrotationssymmetrische Beleuchtungswinkelverteilung auf ein Projektionslichtbündel 7 mit ursprünglich symmetrischer Beleuchtungswinkelverteilung aufprägen oder es kann eine schon ursprünglich nicht rotationssymmetrische Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichtbündels 7 gezielt manipuliert werden.
Mittels der Antriebseinrichtung 20 ist über die mechanische Komponente 18 das diffraktive optische Element 9 um die optische Achse drehbar. Dabei dreht sich die Ellipse mit, die den Anteil der Beleuchtungswinkelverteilung beschreibt, der durch das optische Element 9 aufgeprägt wird. Durch Drehung des diffraktiven optischen Elements 9 kann daher diese Ellipse so orientiert werden, daß eine ursprünglich, d. h. ohne Berücksichtigung der Wirkung des optischen Elements 9, elliptischen Beleuchtungswinkelverteilung mit beliebiger Orientierung symmetrisiert werden kann. Alternativ kann durch Drehung des diffraktiven optischen Elements 9 eine vorgegebene elliptische Beleuchtungswinkelverteilung eingestellt werden, die z. B. zur Beleuchtung bestimmter Strukturen auf dem Retikel 3 vorteilhaft ist.
Mit dem zweiten diffraktiven optischen Element 10, das über die mechanische Komponente 19 von der Antriebseinrichtung 20 unabhängig vom ersten diffraktiven optischen Element 9 ebenfalls um die optische Achse verdreht werden kann, kann eine Feinabstimmung der erzeugten Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung erfolgen. Wenn die beiden diffraktiven optischen Elemente 9, 10 so hintereinander angeordnet sind, daß die einzelnen Seiten der Einzelstrukturen 11, 12 zueinander parallel verlaufen, prägen beide diffraktive optischen Elemente 9, 10 die gleiche nichtrotationssymmetrische Beleuchtungswinkelverteilung auf, so daß eine verstärkte Gesamtwirkung erzielt wird.
Werden die beiden diffraktiven optischen Elemente 9, 10 relativ zueinander um einen Winkel verdreht, so resultiert eine Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung, die als Überlagerung zweier Ellipsen beschrieben werden kann, deren Hauptachsen einen dem Verdrehwinkel entsprechenden Winkel zueinander einnehmen.
Die den nicht rotationssymmetrischen Einfluß auf die Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichtbündels 7 beschreibenden Ellipsen der diffraktiven optischen Elemente 9 und 10 stehen im in Fig. 2 gezeigten Fall der Relativpositionen der Einzelstrukturen 11 und 12 senkrecht aufeinander. Es resultiert eine Gesamtänderung der Beleuchtungswinkelverteilung aufgrund der Überlagerung der Änderungen durch die einzelnen diffraktiven optischen Elemente 9 und 10, deren Abweichung von der Rotationssymmetrie geringer ist als die durch jeweils eine optische Komponente hervorgerufene Änderung. In dieser Relativstellung der Einzelstrukturen 11 und 12 kann z. B. die Elliptizität durch die diffraktiven optischen Elemente 9 und 10 unbeeinflußt bleiben. Eine derartige Stellung der optischen Elemente 9 und 10, die als Neutralstellung bezeichnet wird, wird z. B. dann gewählt, wenn ermittelt werden soll, welche Symmetrie die Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichtbündels 7 ohne bzw. nur mit geringem asymmetrisierenden Einfluß der diffraktiven optischen Elemente 9, 10 aufweist.
Die Beleuchtungsoptik, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, wird folgendermaßen betrieben:
Zu Beginn der Projektionsbelichtung oder in einer Belichtungspause wird mit Hilfe des CCD-Arrays 66 die Intensitätsverteilung des Projektionslichtbündels 7 im Bereich der Linsengruppe 63 vermessen. Daraus wird eine Beleuchtungswinkelverteilung in der Objektebene der Projektionsoptik berechnet und mit einer vorgegebenen Beleuchtungswinkelverteilung zur optimalen Beleuchtung des Retikels 3 verglichen. Wenn eine Korrektur der gemessenen Beleuchtungswinkelverteilung erforderlich ist, wird zunächst über die Detektorsteuereinrichtung 68, die Steuereinrichtung 24 sowie die Antriebseinrichtung 20 die oben beschriebene Neutralstellung der diffraktiven optischen Elemente 9, 10 eingestellt. Dann wird die Beleuchtungswinkelverteilung des unbeeinflußten Projektionslichtbündels 7 gemessen und ggf. durch eine Grundjustage der Beleuchtungsoptik korrigiert. Schließlich wird durch Vergleich der Ist- und Soll-Werte der Beleuchtungswinkelverteilung eine Soll- Position der beiden diffraktiven optischen Elemente 9, 10 berechnet und über die Antriebseinrichtung 20 eingestellt. Anschließend wird das CCD-Array aus der Linsengruppe 63 herausgefahren.
Der Grad der Rotationsasymmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung, in erster Näherung also die Elliptizität, kann durch die Form der Einzelstrukturen beeinflußt werden. Im Falle der sechseckigen Einzelstrukturen 11, 12 läßt sich eine Ellipse mit einem Hauptachsenverhältnis von ca. 1,05 von langer zu kurzer Hauptachse realisieren. Dieses Hauptachsenverhältnis läßt sich durch Verlängerung von zwei gegenüberliegenden Seiten der sechseckigen Einzelstrukturen 11, 12 praktisch beliebig vergrößern, wobei immer noch eine lückenlose Belegung der durch das diffraktive optische Element vorgegebenen Fläche gegeben ist. Andere lückenlose Belegungen mit verglichen mit einem Sechseck komplizierter aufgebauten Einzelstrukturen ergeben entsprechend komplizierte Beleuchtungswinkelverteilungen, die zusätzliche Multipol-Beiträge für die Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung liefern können.
Eine Neutralstellung der optischen Elemente 9 und 10, bei der sich keine Änderung der Symmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung des durchtretenden Projektionslichts ergibt, kann z. B. durch zwei optische Elemente realisiert werden, bei denen sich die Formen der Einzelstrukturen zu einem Kreis ergänzen lassen. Beispiele für derartige Einzelstrukturen sind Halbkreise.
Die diffraktiven optischen Elemente 9, 10 sind im vorliegenden Fall im Bereich der Objektebene des Objektivs 2 angeordnet, können aber im Bereich beliebiger Feldebenen der Beleuchtungsoptik und - falls dort eine Beeinflussung der Beleuchtungswinkelverteilung erforderlich ist - auch im Bereich von Feldebenen der dem Retikel 3 nachgelagerten Projektionsoptik eingesetzt sein.
Statt diffraktiver optischer Elemente können auch Linsenarrays eingesetzt werden, die eine Vielzahl von Einzellinsen mit brechenden Flächen aufweisen, die ähnlich wie die oben beschriebenen Einzelstrukturen die Apertur des Linsenarrays lückenlos abdecken. Die Randkontur der Einzellinse gibt dabei, wie oben im Zusammenhang mit den Einzelstrukturen beschrieben, die Änderung der Symmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung vor.
In den Fig. 3 und 4 sind alternative Ausführungsbeispiele für Einzelstrukturen angegeben, wie sie z. B. beim diffraktiven optischen Element 8 zum Einsatz kommen können. Optische Strukturen, den denjenigen entsprechen, die schon im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurden, tragen um 100 erhöhte Bezugszeichen und werden nicht nochmals im einzelnen erläutert.
Die Einzelstrukturen 111 des diffraktiven optischen Elements, von dem in Fig. 3 ähnlich wie in Fig. 2 nur ein Ausschnitt wiedergegeben ist, sind rechteckig mit einem Seitenverhältnis von 1 : 2. Wie die Aufteilung der Einzelstruktur in Quadranten I bis IV zeigt, die analog zu derjenigen von Fig. 2 ist, weisen hier die Quadranten II bzw. IV einen wesentlich größeren Flächeninhalt auf als die Quadranten I und III. Damit hat das diffraktive optische Element von Fig. 3 eine entsprechend größere Elliptizität als dasjenige von Fig. 2.
Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 sind Einzelstrukturen 211 quadratisch. Hier beruht die nicht rotationssymmetrische Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung des einfallenden Projektionslichts durch die Einzelstrukturen 211 hinsichtlich der Elliptizität nicht auf einer nicht rotationssymmetrischen Begrenzung, da die Begrenzungen der Einzelstrukturen 211 eine vierzählige Symmetrie aufweisen und damit, was die Elliptizität angeht, symmetrisch sind.
Die nicht rotationssymmetrische Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung bei den Einzelstrukturen 211 beruht auf einer inhomogenen Beugungsbeeinflussung des Projektionslichts. Hierzu weist jede Einzelstruktur 211 in der Darstellung der Fig. 4 drei elliptische Strukturen 215 bis 217 zur Beugung des einfallenden Projektionslichts auf. Die Beugung an diesen elliptischen Strukturen 215 bis 217 bewirkt eine nicht rotationssymmetrische Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung nach Durchlaufen der Einzelstrukturen 211. Da die elliptischen Strukturen 215 bis 217 eine zweizählige Symmetrie aufweisen, ändert sich die Elliptizität des Projektionslichts beim Durchlaufen der Einzelstrukturen 211.

Claims

1. Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere für die Mikrolithographie, zur Erzeugung eines Bildes eines in einer Objektebene angeordneten Objekts in einer Bildebene mit einer Projektionslicht emittierenden Lichtquelle, mit einer im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und der Objektebene angeordneten Beleuchtungsoptik und mit einer im Strahlengang zwischen der Objektebene und der Bildebene angeordneten Projektionsoptik, wobei im Bereich einer Feldebene der Beleuchtungsoptik mindestens ein optisches Element angeordnet ist, das die Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts in der Objektebene ändert, wobei die durch das optische Element aufgeprägte Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung in der Objektebene nicht rotationssymmetrisch zur optischen Achse ist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (9, 10) in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbar ist.

2. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (9, 10) um eine Achse senkrecht zur Feldebene verdrehbar ist.

3. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts in der Objektebene eine Mehrzahl optischer Elemente in einem Wechselhalter vorgesehen ist, die austauschbar in den Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage eingebracht werden können.

4. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbare optische Element ein diffraktives optisches Element (9, 10) ist.

5. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in unterschiedlichen Winkelstellungen anordenbare optische Element (9, 10) ein Rasterelement mit einer zweidimensionalen Rasterstruktur ist, die aus einer Vielzahl von aneinander angrenzenden Einzelstrukturen (11, 12; 111) mit gleicher Flächengestalt aufgebaut ist.

6. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrukturen lückenlos aneinander angrenzen.

7. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrukturen derart ausgeführt sind, daß eine durch sie aufgeprägte nicht rotationssymmetrische Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung zumindest zum Teil auf einer inhomogenen Beugungsbeeinflussung des Projektionslichts beruht.

8. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrukturen derart ausgeführt sind, daß die durch sie aufgeprägte nicht rotationssymmetrische Änderung der Beleuchtungswinkelverteilung zumindest zum Teil auf einer nicht rotationssymmetrischen Begrenzung der Einzelstrukturen beruht.

9. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einzelstruktur (11, 12) die Form eines Sechsecks hat.

10. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei optische Elemente (9, 10), die jeweils im Bereich einer Feldebene der Beleuchtungsoptik (14, 2, 8, 4, 5, 6) angeordnet sind, die Beleuchtungswinkelverteilung des durchtretenden Projektionslichts (7) ändern und unabhängig voneinander in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbar sind.

11. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Relativstellung der optischen Elemente (9, 10) keine Änderung der Symmetrie der Beleuchtungswinkelverteilung resultiert.

12. Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit jedem in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbaren optischen Element (9, 10) gekoppelte Antriebseinrichtung (20).

13. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine mit der Antriebseinrichtung (20) zusammenarbeitende Steuereinrichtung (24), die abhängig von einer vorgegebenen Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichts (7) in der Objektebene die Antriebseinrichtung (20) zur Einstellung einer vorgegebenen Position des in unterschiedliche Winkelstellungen um eine Achse senkrecht zur Feldebene anordenbaren optischen Elements (9, 10) ansteuert.

14. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine mit der Steuereinrichtung (24) zusammenarbeitende Detektoreinrichtung (66 bis 68) zur Erfassung der Intensitätsverteilung des Projektionslichts (7) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse vorgesehen ist.

15. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (66 bis 68) ein zweidimensionales CCD-Array (66) aufweist.

16. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (66 bis 68) derart ausgeführt ist, daß sie die Beleuchtungswinkelverteilung des Projektionslichtes in der Objektebene ermittelt.