DE10144246A1 - Zoom-System für eine Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Ein Zoom-System für eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage ist als Brennweiten-Zoom aufgebaut. Die Linsen des Zoom-Systems definieren eine Objektebene (6) und eine Bildebene (8), welche eine Fourier-transformierte Ebene zur Objektebene ist. Das System zeichnet sich durch eine große Dehnung der in der Bildebene ausgeleuchteten Fläche aus, wobei Dehnungsfaktoren größer als vier möglich sind. Das System hat nur zwei verschiebbare Einzellinsen (31, 32).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Zoom-System für eine Beleuchtungseinrichtung, insbesondere eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
• Beleuchtungseinrichtungen in mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlagen haben die Aufgabe, ein Retikel, welches in der Objektebene eines nachfolgenden Projektionsobjektives angeordnet ist, gleichmäßig in einer genau an die optischen Eigenschaften des Projektionsobjektivs angepassten Weise zu beleuchten. Die Beleuchtung soll telezentrisch sein, so dass die gerichteten Lichtschwerpunkte aller Punkte der Retikelebene möglichst exakt in der Eintrittspupille des Projektionsobjektives zentriert sind. Zudem ist es erwünscht, eine partiell kohärente Beleuchtung bereitzustellen, bei der der Füllgrad der Pupille variabel einstellbar ist. Für die Variation des Kohärenzgrades können Zoom- Systeme eingesetzt werden. Um bei der lithographischen Mikrostrukturierung eine weitgehende Annäherung an die Auflösungsgrenzen der optischen Projektion zu ermöglich, wird vielfach auch die Beleuchtung entsprechend der Strukturen der einzelnen Vorlagen optimiert, indem diverse Beleuchtungsmodi, beispielsweise annulare Beleuchtung oder Quadrupol-Beleuchtung erzeugt werden. Einrichtung hierfür, beispielsweise kegelförmige oder pyramidenförmige Axicons, können in Zoom- Systeme integriert sein. Schließlich besteht die Forderung nach einem hohen Wirkungsgrad, um die Lichtleistung der Lichtquellen mit geringstmöglichen Lichtverlusten für die Herstellung mikrostrukturierter Bauteile nutzen zu können.
• Beleuchtungseinrichtungen, welche diese Anforderung gut erfüllen, sind beispielsweise in der EP 0 747 772 oder der DE 44 21 053 bzw. EP 0 687 956 offenbart. Bei der Beleuchtungseinrichtung der EP 0 747 772 hat das Zoom-System eine Vielzahl von Linsen, die entlang einer optischen Achse angeordnet sind und eine Objektebene sowie eine Bildebene definieren, welche eine Fourier-transformierte Ebene zur Objektebene ist. Zwei Linsen sind verschiebbare Linsen, die bei der Einstellung von Zoomstellungen des Zoom-Systems zur Variation der Größe einer in der Bildebene ausgeleuchteten Fläche entlang der optischen Achse verschiebbar ist. In der Objektebene und in der Austrittspupille des Zoom-Objektivs sind jeweils diffraktive optische Rasterelemente mit zweidimensionaler Rasterstruktur angeordnet. Die Anordnung dient zur angepassten Erhöhung des Lichtleitwertes, wobei das in der Objektebene angeordnete Rasterelemente zusammen mit dem Zoom-Objektiv einen kleineren Teil des Lichtleitwertes einfügt und das in der Bildebene angeordnete Rasterelement den Hauptanteil des Lichtleitwertes erzeugt und die Beleuchtung an die Feldgröße, beispielsweise die rechteckige Eintrittfläche eines nachfolgenden, stabförmigen Lichtintegrators adaptiert. Das Zoomsystem hat einen dreifachen Dehnungsbereich, wobei partiell kohärente Beleuchtung mit Kohärenzgraden zwischen 0,3 und 0,9 eingestellt werden kann.
• Aus der US 5,379,090 ist ein Zoom-System für eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsanlage bekannt, das einen vierfachen Dehnungsbereich hat und die Einstellung von Kohärenzgraden zwischen 0,1 und 0,4 erlaubt.
• Aus der US 5,237,367 ist die Verwendung eines Zoom-Systems in der Beleuchtungseinrichtung eines Wafer-Steppers zur verlustfreien Einstellung des Kohärenzgrades bekannt.
• Aus der US 5,245,384 ist ein afokales Zoom-System für die Beleuchtung bei Wafer-Steppern bekannt, mit dem ebenfalls der Kohärenzgrad verlustarm angepasst werden kann.
• Aus der EP 1 109 067 (entsprechend US 2001 001247 A1) ist ein Beleuchtungssystem für eine mikrolithographische Projektionsanlage bekannt, das ohne die Verwendung eines Zoom-Systems die Einstellung verschiedener Beleuchtungssettings erlaubt. Die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls in einer Pupillenebene des Beleuchtungssystems wird durch eine Abfolge optischer Elemente bestimmt, von denen mindestens eines mit Hilfe einer Auswechseleinrichtung gegen ein anderes optisches Element austauschbar ist. Diese austauschbaren optischen Elemente können durch diffraktive optische Elemente (DOE), Mikrolinsen- Arrays oder holographische optische Elemente gebildet sein, die jeweils unterschiedliche Beleuchtungssetting definieren. Die für den Elementaustausch erforderlichen Einrichtungen müssen schnell und hochpräzise arbeiten, so dass erheblicher mechanischer und Steuerungsaufwand zur Verwirklichung dieses Konzepts erforderlich ist.
• Bei zahlreichen Anwendungsfällen, insbesondere im Bereich der mikrolithographischen Produktion von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen, ist es erwünscht, zwischen verschiedenen Beleuchtungssettings umschalten zu können, ohne dass optische Elemente ausgetauscht werden müssen. Außerdem ist es häufig erwünscht, sehr unterschiedliche konventionelle Beleuchtungssettings einstellen zu können. Eine besonders bei kurzen Lichtwellenlängen (beispielsweise 193 nm, 157 nm oder darunter) wichtiger werdende Randbedingung ist die Forderung, die Anzahl der optischen Flächen des Systems auf ein Minimum zu reduzieren, um Transmissionsverluste in Grenzen zu halten. Besonders bei Beleuchtungssystem, in denen hinter dem Zoom-System nur winkelerhaltende optische Elemente, z. B. stabförmige Lichtintegratoren, angeordnet sind, ist außerdem eine ausgangsseitige (bildseitige) Telezentrie des Zoom-Systems vorteilhaft, um eine Anpassung an die nachfolgenden optischen Systeme zu ermöglichen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zoom-System für eine Beleuchtungseinrichtung zu schaffen, welches ohne Austausch optischer Komponenten eine große Variationsbreite einstellbarer Kohärenzgrade ermöglicht. Insbesondere soll sich das Zoom-System außerdem durch ausgangsseitige Telezentrie und hohe Transmission auszeichnen.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Zoom-System mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
• Ein erfindungsgemäßes Zoom-System hat eine Vielzahl von Linsen, die entlang einer optischen Achse angeordnet sind und eine Objektebene sowie eine Bildebene definieren. Mindestens eine der Linsen ist eine verschiebbare Linse, die zur Variation der Größe einer in der Bildebene ausgeleuchteten Fläche entlang der optischen Achse verschiebbar ist. Ein Verhältnis D zwischen einer maximalen Größe und einer minimalen Größe der in der Bildebene ausgeleuchteten Fläche beträgt mehr als vier. Dieses Verhältnis D wird im folgenden auch als Dehnung oder Dehnungsfaktor bezeichnet und kann beispielsweise bei einer im wesentlichen kreisförmigen, ausgeleuchteten Fläche als Verhältnis zwischen maximalem Radius und entsprechendem minimalem Radius dieser Fläche berechnet werden. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen sind sogar Dehnungsfaktoren von fünf oder mehr möglich. Vorzugsweise ist das Zoom-System als Brennweiten-Zoom ausgebildet, bei dem die Bildebene eine Fourier-transformierte Ebene zur Objektebene ist. Zwischen Objektebene und Bildebene ist bei bevorzugten Ausführungsformen keine Zwischenbildebene gebildet.
• Grundsätzlich kann die optische Funktion einer einzelnen Linse auch durch eine Kombination mehrerer Linsen, d. h. eine Linsengruppe, erzielt werden. Daher umfasst der Begriff "Linse" hier allgemein auch eine "Linsengruppe".
• Erfindungsgemäße Zoom-Systeme ermöglichen allein durch ihre Konstruktion eine große Variationsbreite für den Kohärenzgrad σ des vom Beleuchtungssystem abgegebenes Lichtes, wobei durch Verschiebung von Linsen des Zoom-Systems zwischen nahezu kohärenter Strahlung (kleiner σ-Wert) zu weitgehend inkohärenter Strahlung (großer σ-Wert) vorzugsweise stufenlos umgestellt werden kann. Dabei kann die Lage des erzielbaren σ-Bereiches durch den Öffnungswinkel der in das Zoom- System einfallenden Strahlung beeinflusst werden. Dieser Öffnungswinkel kann durch dem Zoom-System vorgeschaltete optische Mittel zur Erzeugung einer gewünschten Winkelverteilung aus einfallendem Parallellicht, beispielsweise durch ein diffraktives optisches Rasterelement, eingestellt werden. Da das Zoom-System selbst einen großen Dehnungsbereich bzw. σ-Bereich abdeckt, kann bei den meisten Anwendungsfällen mit einer einzigen, eingangsseitigen Winkelverteilung für alle Beleuchtungssetting gearbeitet werden. Auf austauschbare Rasterelemente oder dergleichen kann daher verzichtet werden, was den Gesamtaufbau von Beleuchtungseinrichtungen vereinfacht.
• Die erfindungsgemäß hohen Dehnungen werden bei bevorzugten Ausführungsformen dadurch gefördert, dass ein maximaler Verschiebeweg mindestens einer der verschiebbaren Linsen mehr als ca. 20% bzw. etwa ein Fünftel der Baulänge des Zoom-Systems beträgt. Als Baulänge wird in dieser Anmeldung der axiale Abstand zwischen Objektebene und Bildebene bezeichnet. Diese Baulänge ist bei bevorzugten Ausführungsformen fest und unabhängig von der eingestellten Zoom-Stellung, was den Einbau derartiger Zoom-Systeme in räumlich definierte Einbauumgebungen, beispielsweise einer Beleuchtungseinrichtung eines Wafer- Steppers, erleichtert. Vorzugsweise ist sogar mindestens eine der verschiebbaren Linsen um mindestens ca. 25% der Baulänge verschiebbar. Hier wird die Erkenntnis genutzt, dass eine große Dehnung der Bildfeldgröße durch große Verschiebewege erzielbar ist.
• Um trotz großer Verschiebewege die Baulänge des Gesamtsystems kompakt zu halten und insbesondere im Vergleich zu früheren Systemen weitgehend unverändert zu erhalten, sind bei bevorzugten Ausführungsformen feste Linsen zumindest nahe bei der Objektebene angeordnet. Vorzugsweise kann ein Abstand zwischen der Objektebene und dem der Objektebene nächsten optischen Element des Zoom-Systems weniger als 15%, insbesondere sogar weniger als 10% der Baulänge des Zoom- Systems entsprechen. Dies macht es auch möglich, dass ein Verschiebebereich mindestens einer verschiebbaren Linse in einem Abstand von der Objektebene endet, der weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der Baulänge des Zoom-Objektivs beträgt. Damit kann ein Zoom- System mit optischen Mitteln geschaffen werden, die abhängig von der Zoom-Stellung, d. h. von den axialen Stellungen verschiebbarer Linsen sind. Kleine Arbeitsabstände zwischen der Objektebene, in der z. B. ein Rastelement angeordnet werden kann, und der ersten Linse des Zooms erleichtern auch die Reinigung oder Reinhaltung des Zwischenraums mittels Reinigungsgas (purging).
• Um bei möglichst geringer Anzahl von Linsen eine einfache Konstruktion zu ermöglichen, ist es bevorzugt, die Anzahl der beweglichen Linsen zu minimieren. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Anzahl verschiebbarer Linsen kleiner als die Anzahl der verschiebbaren Linsen. Beispielsweise können drei bis fünf feststehende und zwei verschiebbare Linsen vorgesehen sein. Es hat sich als günstig herausgestellt, wenn die verschiebbaren Linsen einzeln verschiebbar sind. Bevorzugt sind maximal zwei, insbesondere genau zwei, verschiebbare Einzellinsen, um die mechanische Konstruktion der für die Linsenverschiebung erforderlichen Baufeile einfach halten zu können. Es hat sich auch als günstig herausgestellt, wenn alle verschiebbaren Linsen in der objektseitigen Hälfte, d. h. bei weniger als 50% der Baulänge, angeordnet sind. Um trotz geringer Anzahl verschiebbarer Linsen einen großen Dehnungsbereich zu erhalten, kann eine erste verschiebbare Linse und mindestens eine zweite verschiebbare Linse vorgesehen sein, die beim Wechsel zwischen verschiedenen Zoom-Stellungen auf unterschiedlichen Verschiebekurven verschiebbar sind. Dies kann beispielsweise durch unabhängige Antriebe oder durch eine geeignete nicht-lineare Kopplung erreicht werden.
• Die vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen 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 und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Übersicht einer Ausführungsform einer Beleuchtungseinrichtung für ein Projektions-Mikrolithographiegerät mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zoom-Systems;
• Fig. 2 einen Linsenschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zoom-Systems in zwei Zoom-Stellungen.
• In Fig. 1 ist ein Beispiel einer Beleuchtungseinrichtung 1 einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage gezeigt, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen einsetzbar ist und zur Erzielungen von Auflösungen bis zu Bruchteilen von Mikrometern mit Licht aus dem tiefen Ultraviolettbereich arbeitet. Als Lichtquelle 2 dient ein F₂-Excimer-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von ca. 157 nm, dessen Lichtstrahl koaxial zur optischen Achse 3 des Beleuchtungssystems ausgerichtet ist. Andere UV-Lichtquellen, beispielsweise ArF-Excimer-Laser mit 193 nm Arbeitswellenlänge, KrF- Excimer-Laser mit 248 nm Arbeitswellenlänge oder Quecksilberdampflampen mit 368 nm bzw. 436 nm Arbeitswellenlänge oder Lichtquellen mit Wellenlängen unterhalb 157 nm sind ebenfalls möglich. Das Licht der Lichtquelle 2 tritt zunächst in einem Strahlaufweiter 4 ein, der beispielsweise als Spiegelanordnung gemäß der DE 41 24 311 ausgebildet sein kann und zur Kohärenzreduktion und Vergrößerung des Strahlquerschnitts auf z. B. y = 35 ± 10 mm und x = 10 ± 5 mm dient. Ein optional vorgesehener Verschluss ist bei der gezeigten Ausführungsform durch eine entsprechende Pulssteuerung des Lasers 2 ersetzt.
• Ein erstes diffraktives, optisches Rasterelement 5 ist in der Objektebene 6 eines im Strahlengang dahin angeordneten Zoom-Objektivs 7 angeordnet, in dessen Bildebene 8 bzw. Austrittspupille ein zweites diffraktives optisches Rasterelement 9 angeordnet ist.
• Eine dahinter angeordnete Einkoppeloptik 10 überträgt das Licht auf die Eintrittsfläche 11 eines aus Kalziumfluorid gefertigten, stabförmigen Lichtintegrators 12, der das durchtretende Licht durch mehrfache innere Reflexion mischt und homogenisiert. Unmittelbar an der Austrittsfläche 13 des Stabes 12 liegt eine Zwischenfeldebene, in der ein Reticle/Masking-System (REMA) 14 angeordnet ist, welches als verstellbare Feldblende dient. Das nachfolgende Objektiv 15 bildet die Zwischenfeldebene mit dem Maskierungssystem 14 auf Retikel 16 (Maske, Lithographievorlage) ab und enthält eine erste Linsengruppe 17, eine Pupillenzwischenebene 18, in die Filter oder Blenden eingebracht werden können, eine zweite und eine dritte Linsengruppe 19 bzw. 20 und dazwischen einen Umlenkspiegel 21, der es ermöglicht, die große Beleuchtungseinrichtung (ca. 3 m Länge) horizontal einzubauen und das Retikel 16 waagrecht zu lagern.
• Dieses Beleuchtungssystem bildet zusammen mit einem (nicht gezeigten) Projektionsobjektiv und einem verstellbaren Wafer-Halter, der das Retikel 16 in der Objektebene des Projektionsobjektivs hält, eine Projektionsbelichtungsanlage für die mikrolithographische Herstellung von elektronischen Bauteilen, aber auch von optisch diffraktiven Elementen und anderen mikrostrukturierten Teilen.
• Bei einem Wafer-Stepper wird auf dem Retikel 16 die gesamte, einem Chip entsprechende strukturierte Fläche, im allgemeinen ein Rechteck mit einem beliebigen Aspektverhältnis von beispielsweise 1 : 1 bis 1 : 2, insbesondere 1 : 1,3, so gleichmäßig und randscharf wie möglich beleuchtet.
• Bei einem Wafer-Scanner wird auf dem Reticel ein schmaler Streifen, typischerweise ein Rechteck mit einem Aspektverhältnis von 1 : 2 bis 1 : 8 beleuchtet, und durch Scannen das gesamte strukturierte Feld eines Chips seriell beleuchtet. Auch hier ist die Beleuchtung extrem gleichmäßig und, in Richtung senkrecht zur Scanrichtung, randscharf zu gestalten.
• In manchen Fällen sind auch andere Formen der beleuchteten Fläche auf dem Retikel 16 möglich. Die Öffnung des Reticle-Masking-Systems 14 und der Querschnitt des Stabes 12 sind zweckmäßig der benötigten Form genau angepasst.
• Die Ausführung der dem stabförmigen Lichtintegrator 12 vorgelagerten Teile, insbesondere der optischen Rasterelemente 5 und 9, ist so gewählt, dass die Stabeintrittsfläche 11 weitgehend homogen und mit höchstmöglichem Wirkungsgrad, das heißt ohne wesentliche Lichtverluste neben der Eintrittfläche, ausgeleuchtet wird. Hierzu wird der vom Strahlaufweiter 4 kommende, parallele Lichtstrahl mit rechteckigem Querschnitt und einer nicht rotationssymmetrischen Divergenz zunächst durch das erste diffraktive Rasterelement 5 unter Einführung von Lichtleitwert bezüglich Divergenz und Form verändert. Insbesondere hat das erste Rasterelement 5 eine Vielzahl sechseckiger Zellen, die eine Winkelverteilung dieser Form erzeugen. Die numerische Apertur des ersten diffraktiven Rasterelements beträgt hier NA = 0,025, wodurch etwa 10% des gesamten einzuführenden Lichtleitwertes eingeführt werden. Generell sind Elemente bevorzugt, die eine Apertur aus dem Bereich 0,020 ≤ NA ≤ 0,027 einführen. Bei deutlich niedrigeren Aperturen besteht die Gefahr, dass sich mögliche Divergenz-Asymmetrien der einfallenden Strahlung störend in der austrittsseitigen Winkelverteilung bemerkbar machen. Deutlich größere Aperturen können zu einer Überfüllung des Stabeintritts und damit zu Lichtverlusten führen.
• Das in der vorderen Brennebene der Zoomoptik 7 angeordnete erste optische Rasterelement 5 präpariert zusammen mit der Zoomoptik 7 einen Beleuchtungsfleck mit variabler Größe in der hinteren Brennebene bzw. Bildebene 8 des Zoom-Systems. Hier ist das zweite optische Rasterelement 9 angeordnet, das als refraktives optisches Element mit rechteckiger Abstrahlcharakteristik ausgebildet ist. Dieses Element erzeugt den Hauptanteil des Lichtleitwertes und adaptiert den Lichtleitwert über die Einkoppel-Optik 10 an die Feldgröße, das heißt an die Form der rechteckigen Eintrittsfläche 11 des Stabintegrators 12.
• Der Aufbau des Beleuchtungssystems mit Ausnahme des Zoom- Objektivs 7 kann beispielsweise dem in der EP 0 747 772 beschriebenen Aufbau entsprechen, deren Offenbarungsgehalt insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird.
• Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise sowie Besonderheiten des Zoom-Systems 7 an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Das Zoom-System ist als zwischenbildfreies Brennweiten-Zoom ausgebildet, bei dem die Objektebene 6 und die Bildebene 8 Fouriertransformierte Ebenen sind und zwischen diesen Ebenen keine Zwischenbildebene liegt.
• Das Zoom-System 7 in Fig. 2 hat eine feste Baulänge (Abstand Objektebene - Bildebene) von ca. 800 mm. In einem kurzen Arbeitsabstand von ca. 30 mm von der Feldebene 6 ist eine bikonkave erste Linse 30 mit einer von der Objektebene 6 weg gekrümmten Eintrittsfläche F2 und einer gegensinnig gekrümmten Austrittsfläche F3 angeordnet, wobei die Linse 30 negative Brechkraft aufweist und den eintretenden Lichtstrahl leicht aufweitet. Mit variablem Luftabstand folgt eine bikonvexe zweite Linse 31 positiver Brechkraft mit zur Objektebene gekrümmter Eintrittsfläche F4 und in die andere Richtung gekrümmter Austrittsfläche F5. Mit einem variablen Abstand folgt eine meniskusförmige dritte Linse 32 positiver Brechkraft mit zur Objektebene gekrümmter Eintrittsfläche F6 und gleichsinnig gekrümmter Austrittsfläche F7. Die zweite Linse 31 und die dritte Linse 32 sind jeweils axial beweglich geführt, unabhängig voneinander beweglich und bilden die einzigen axial beweglichen Linsen des Zooms, so dass für die Mechanik und die Steuerung der Verschiebung einfache Lösungen gewählt werden können. Mit variablem Luftabstand hinter der dritten Linse 32 folgt eine feststehende, meniskusförmige vierte Linse 34 negativer Brechkraft mit bildwärts gekrümmter Eintrittsfläche F8 und ebenso gekrümmter Austrittsfläche F9. Dieser folgt mit festem Luftabstand eine als Meniskuslinse ausgebildete fünfte Linse 35 mit objektwärts gekrümmten Flächen F10 und F11. In Lichtdurchtrittsrichtung folgt eine ortsfest montierte sechste Linse 37, die als Meniskuslinse mit positiver Brechkraft ausgebildet ist und eine zur Objektebene gekrümmte Eintrittsfläche F12 und eine ebenso gekrümmte Austrittsfläche F13 hat. Dieser folgt mit festem Luftabstand eine ebenfalls fest montierte siebte Linse 38 mit positiver Brechkraft, objektwärts gekrümmter Eintrittsfläche F14 und ebener Austrittsfläche F15. Diese steht in festem Abstand von ca. 5 mm von der Bildebene 8. Die Linse 38 kann alternativ durch ein Axicon-Paar mit einander zugewandten, kegel- oder pyramidenförmigen Flächen ersetzt werden, die bevorzugt bis zum flächigen Berührungskontakt aneinander geschoben werden können, um wahlweise konventionelle oder Ring- bzw. Quadrupolbeleuchtung einstellen zu können.
• Die Krümmungsradien r [mm] der Linsenflächen, die entsprechenden Dicken d [mm] sowie die halben maximalen Strahldurchmesser hmax [mm], welche an den Flächen F der Linsen auftreten und den optisch genutzten Radien entsprechen, sind in Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 2 sind für fünf verschiedene Zoomstellungen (Zoomstellung 1, in Fig. 2 oben, bis Zoomstellung 5, in Fig. 2 unten) die axialen Dimensionen der variablen Lufträume hinter den Linsenflächen F3, F5 und F7 [in mm] gezeigt. Sämtliche Linsen sind aus CaF₂ gefertigt, das bei der Betriebswellenlänge von 157,63 nm einen nominalen Brechungsindex n = 1,558 hat.
• Im folgenden werden die Funktionen und weitere Besonderheiten des Zoom-Systems erläutert. Die Objektebene (Feldebene 6) wird durch eine Lichtverteilung mit rechteckigem Profil von ca. 20 mm × 15 mm beleuchtet. Durch das in der Objektebene angeordnete erste diffraktive Rasterelement 5 wird in der Objektebene eine Winkelverteilung erzeugt, die im Winkelraum eine sechseckige Form hat. Die mittlere numerische Apertur beträgt hier 25 mrad. Dieses Licht durchstrahlt die Linsen des Zoom-Systems und erzeugt in der Bildebene 8 eine beleuchtete Fläche mit sechseckiger Form, wobei die Größe der beleuchteten Fläche durch Verschiebung der beiden verschiebbaren Linsen 31 und 32 stufenlos einstellbar ist. Der Radius der zu dieser sechseckigen Form konstruierbaren Kreisfläche ist bei dieser Ausführungsform zwischen einem Minimalradius von 10 mm (Zoomstellung 1, in Fig. 2 oben) und einem Maximalradius von ca. 50 mm (Zoomstellung 2, in Fig. 3 unten) veränderbar, was einem Dehnungsfaktor bzw. einer Dehnung von 5,0 entspricht. Bei jeder Zoomstellung variiert die Energiedichte in der Bildebene 8 (abgesehen vom Kantenbereich der Lichtverteilung) um maximal ca. 5%. Die Schwerstrahlrichtungen in der Bildebene weichen für Zoomstellungen mit Pupillenradius von ca. 20 mm oder größer um höchstens 1 mrad von der Richtung der optischen Achse 3 ab, bei 10 mm Durchmesser um ca. 4 mrad, so dass bildseitige Telezentrie fast durchgängig gegeben ist.
• Es ist erkennbar, dass die große Dehnung D um einen Faktor fünf dadurch gefördert wird, dass für die axiale Verschiebung der beiden unabhängig voneinander verschiebbaren Linsen 31 und 32 zwischen der eintrittsseitigen ersten Linse 30 und der fest montierten vierten Linse 35 relativ viel Raum zur Verfügung steht (mehr als ein Drittel der Baulänge). Die verschiebbaren Linsen befinden sich alle in der objektseitigen, ersten Hälfte des Zooms. Die erste Linse 31 kann zwischen ihrer objektnächsten Stellung (Zoom-Stellung 5, entsprechend maximalem Radius des Beleuchtungsflecks) und ihrer bildnächsten Stellung (Zoom-Stellung 1, entsprechend minimalem Radius des Beleuchtungsflecks) um einen maximalen Verschiebeweg von ca. 190 mm verschoben werden, was knapp einem Viertel der Gesamtbaulänge des Zoom-Objektives entspricht. Der maximale Verschiebeweg der zweiten verschiebbaren Linse 32 zwischen ihrer bildnächsten Stellung (Zoom-Stellung 2) und der objektnächsten Stellung (Zoom-Stellung 5) beträgt ca. 200 mm bzw. mehr als 25% der Gesamtbaulänge. In keiner der Zoomstellungen ist der Abstand zwischen den verschiebbaren Linsen größer als ca. 50% des maximalen Verschiebeweges. Dadurch ist eine Mechanik mit einer führenden Bewegung und einer damit gekoppelten geringen Relativbewegung möglich, was die Bewegungsmechanik vereinfacht. An Hand von Tabelle 2 ist auch zu erkennen, dass zwischen den Verschiebekurven der verschiebbaren Linsen 31 und 32 kein einfacher linearer Zusammenhang existiert und dass die beweglichen Linsen auch bezogen auf die dargestellte lineare Bildgrößenvariation auf nicht-linearen Kurven verfahren werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind zur Durchführung dieser Axialbewegungen unabhängig ansteuerbare Antriebe für die beiden Linsen 31, 32 vorgesehen.
• Das Zoom-System zeichnet sich außerdem durch eine außerordentlich günstige, "entspannte" Strahlführung aus. Dies ist unter anderem daraus ersichtlich, dass der maximale Inzidenzwinkel i der auf eine optische Fläche des Zoom-Systems auftreffenden Strahlung bei keiner Zoom- Stellung größer als ca. 37 Grad wird (sin i < 0,60). Als Inzidenzwinkel wird hier der Winkel zwischen der Einstrahlrichtung eines Lichtstrahles und der Flächennormalen einer optischen Fläche am Auftreffpunkt bezeichnet. Diese niedrigen Inzidenzwinkel sind günstig für die Vermeidung von Bildfehlern und ermöglichen es vor allem, die optischen Flächen der Linsen mit geeigneten Antireflexbeschichtungen wirksam zu entspiegeln, wodurch die Transmission des Gesamtsystems erhöht und die Erzeugung von Falschlicht vermindert werden kann.
• Vorteilhaft ist auch, dass hinter den verschiebbaren Linsen 31, 32 noch mehrere, im Beispiel vier feststehende Linsen stehen. Diese können zur wirksamen Korrektur von Bildfehlern genutzt werden. Diese optischen Flächen sind nützlich, um die Telezentrie in der Bildebene, die Homogenität des Lichtflecks in der Bildebene und die geringe Breite des Randes des Lichtflecks einzustellen. Tabelle 1
  
  Tabelle 2
  
  

Claims (21)

1. Zoom-System für eine Beleuchtungseinrichtung, insbesondere eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, das Zoom-System mit:
einer Vielzahl von Linsen, die entlang einer optischen Achse (3) angeordnet sind und eine Objektebene (6) und eine Bildebene (8) definieren,
wobei mindestens eine der Linsen (31, 32) eine verschiebbare Linse ist, die zur Variation der Größe einer in der Bildebene (8) ausgeleuchteten Fläche entlang der optischen Achse (3) verschiebbar ist,
wobei ein Verhältnis D zwischen einer maximalen Größe und einer minimalen Größe der in der Bildebene (8) ausgeleuchteten Fläche (Dehnungsfaktor) mehr als vier beträgt.

2. Zoom-System nach Anspruch 1, bei dem das Verhältnis D größer oder gleich fünf ist.

3. Zoom-System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Bildebene (8) eine Fourier-transformierte Ebene zur Objektebene (6) ist (Brennweiten-Zoom).

4. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zoom-System (7) keine Zwischenbildebene aufweist.

5. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein maximaler Verschiebeweg mindestens einer der verschiebbaren Linsen (31, 32) mehr als ca. 20% der Baulänge des Zoom-Systems (7) beträgt.

6. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine der verschiebbaren Linsen einen maximalen Verschiebeweg hat, der mindestens ca. 25% der Baulänge des Zoom-Systems beträgt.

7. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein optisches Element (30) in der Nähe der Objektebene (6) angeordnet ist, wobei vorzugsweise ein Abstand zwischen Objektebene (6) und dem optischen Element (30) weniger als 15%, insbesondere weniger als 10% der Baulänge des Zoom-Systems entspricht.

8. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Verschiebebereich für mindestens eine der verschiebbaren Linsen (31, 32) in einem Abstand von der Objektebene (6) endet, der weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% der Baulänge des Zoom-Objektivs beträgt.

9. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zoom-System axial feststehende Linsen (30, 34, 35, 37, 38) und axial verschiebbare Linsen (31, 32) aufweist und die Anzahl der verschiebbaren Linsen kleiner ist als die Anzahl der feststehenden Linsen.

10. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es genau zwei verschiebbare Linsen (31, 32) aufweist.

11. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle verschiebbaren Linsen Einzellinsen (31, 32) sind.

12. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem alle verschiebbaren Linsen (31, 32) in der objektseitigen Hälfte des Zoom-Systems angeordnet sind.

13. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Abstand zwischen verschiebbaren Linsen in jeder Zoom-Stellung kleiner als ca. 50% des maximalen Verschiebewegs sind.

14. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine erste verschiebbare Linse (31) und mindestens eine zweite verschiebbare Linse (32) vorgesehen ist, die beim Wechsel zwischen verschiedenen Zoom-Stellungen auf unterschiedlichen Verschiebekurven verschiebbar sind.

15. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Zoom-System bildseitig telezentrisch ist.

16. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Zoom-System im wesentlichen vignettierungsfrei arbeitet.

17. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen Objektebene (6) und Bildebene (8) weniger als 16 optisch wirksame Flächen vorgesehen sind, wobei das Zoom- System vorzugsweise nur 14 optisch wirksame Flächen hat.

18. Zoom-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein maximaler Inzidenzwinkel der auf eine optische Fläche auftreffenden Strahlung kleiner als 45°, insbesondere kleiner als 40° ist, wobei der maximale Inzidenzwinkel vorzugsweise ca. 37° beträgt.

19. Beleuchtungseinrichtung (1) für eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einem Zoom-System zur Variation des Kohärenzgrades der von der Beleuchtungseinrichtung bereitbestellbaren Beleuchtung, wobei das Zoom-System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 aufgebaut ist.

20. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 19, bei dem im Bereich der Objektebene (6) ein Apertur einführendes optisches Element, insbesondere ein optisches Rasterelement (5), angeordnet ist, das eine Apertur NA aus dem Bereich 0,020 ≤ NA ≤ 0,027 einführt.

21. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen mit folgenden Schritten:
Beleuchtung eines in einer Objektebene eines Projektionsobjektivs angeordneten Retikels (16) mit Hilfe einer Beleuchtungseinrichtung (1), die ein Zoom-System (7) umfasst, welches gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 aufgebaut ist;
Erzeugung eines Bildes des Retikels auf einem lichtempfindlichen Substrat;
wobei der Schritt der Beleuchtung des Retikels eine Änderung der Eigenschaften des auf das Retikel einfallenden Lichtstrahles durch Verschiebung mindestens einer Linse des Zoom-Systems entlang der optischen Achse des Zoom-Systems umfasst.