DE102005012012A1

DE102005012012A1 - Anordnung zur Homogenisierung eines Lichtbündels

Info

Publication number: DE102005012012A1
Application number: DE200510012012
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen DOBSCHAL
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMS GmbH; Jenoptik AG
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

Um eine Anordnung zur Homogenisierung von insbesondere schmalbandigen Lichtquellen in Form eines Lasers zur Feld- und Pupillenausleuchtung in Maskeninspektionssystemen für die Halbleiterindustrie oder allgemein in der Kohärenzoptik, wo aufgeweitete Laserlichtbündel benötigt werden, indem ein Laserlichtbündel durch eine Mehrzahl von in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichtbündels in einem Array angeordneter optischer Linsen sowie einer dem Linsenarray nachgeordneten Sammellinse als ein aufgeweitetes Laserlichtbündel in die zu beleuchtende Bildebene abgebildet wird, zu schaffen, mittels der gleichzeitig die Objektebene und die Pupille homogener ausgeleuchtet wird, ohne dass eine Specklebildung auftritt, wird vorgeschlagen, dass zwei parallel zueinander angeordnete Linsenarrays (2, 3) vorgesehen sind, wobei vor einem ersten Linsenarray (2) mindestens ein spektral dispergierendes optisches Element, insbesondere ein Beugungsgitter (7) so angeordnet ist, dass der am Beugungsgitter (7) gebeugte Wellenlängenbereich einer Laserlichtquelle an den Fokalorten des ersten Linsenarrays (2) ausgedehnte kontinuierliche Spektren erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Homogenisierung von insbesondere schmalbandigen Lichtquellen in Form eines Lasers zur Feld- und Pupillenausleuchtung in Maskeninspektionssystemen für die Halbleiterindustrie oder allgemein in der Kohärenzoptik, wo aufgeweitete Laserlichtbündel benötigt werden, indem ein Laserlichtbündel durch eine Mehrzahl von in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserlichtbündels in einem Array angeordneter optischer Linsen sowie einer dem Linsenarray nachgeordneten Sammellinse als ein aufgeweitetes Laserlichtbündel in die zu beleuchtende Bildebene abgebildet wird.

Laserstrahlen weisen häufig eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über ihren Querschnitt und dessen Raumwinkel auf, was sich bei einer Vielzahl von Anwendungen von Laserstrahlen, insbesondere in Maskeninspektionssystemen in der Halbleiterindustrie und allgemein dort, wo Flächenstücke mit Laserstrahlen ausgeleuchtet oder bearbeitet werden, nachteilig auswirkt. Für Beleuchtungshomogenisierungen werden in bekannter Weise Linsenarrays, Lichtmischstäbe und Streuscheiben eingesetzt. Dadurch wird erreicht, dass unabhängig von der eingangsseitigen gaussförmigen Energieverteilung eines Laserlichtbündels eine sehr gute Homogenisierung der Ausleuchtung des Objektfeldes erreicht werden kann. Nachteilig dabei ist aber, dass in dem zu beleuchtenden System eine punktförmige Pupillenausleuchtung entsteht, die für viele mikroskopische Verfahren einen Nachteil darstellt, wobei der Grund für die nahezu punktförmige Ausleuchtung der Pupille darin besteht, dass der Laser nur eine sehr geringe Divergenz besitzt, welche die Größe und Form der Pupillenausleuchtung bestimmt. Reduzieren kann man diesen Nachteil z.B. durch eine Verkleinerung des Pitchabstandes des Linsenarrays oder durch den Einsatz von Streuscheiben. Beides bewirkt aber aufgrund der Kohärenzlänge des Lasers eine mehr oder minder starke Specklebildung. In der EP 0843 836 B1 wird eine optische Vorrichtung zur Homgenisierung eines Laserstrahls beschrieben, die allgemein die Ausbildung und Anordnung von Linsenarrays beschreibt und in der WO 03 02987 wird das Problem der Homogenisierung und Speckleunterdrückung ohne zeitliche Mittelung beschrieben. Nachteilig ist dabei, dass sich die geringe Divergenz des Lasers auf die Ausleuchtung in der Pupillenebene auswirkt und dadurch insbesondere in der Maskensimulation für die Halbleiterindustrie eine inhomogene, zeitlich variierende Pupille entstehen kann. Aus der DE 42 20 705 C2 ist eine Vorrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahles in Form eines Excimerlaser in homogene Teilstrahlen bekannt, mit der der Lichtstrahl in zumindest zwei räumlich voneinander getrennte homogenisierte Teilstrahlen aufgeteilt wird, durch eine Mehrzahl von Linsen, die in einer Ebene, welche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls liegt, auf ihrer Einfallseite in bezug auf den Lichtstrahl konvex und auf ihrer Ausfallseite prismenförmig ausgebildet sind, und mit mindestens einer nachgeordneten Sammellinse, die in Richtung des Lichtstrahles hinter den Linsen angeordnet ist. Weiterhin ist aus der DE 38 29 728 A1 eine Vorrichtung zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Laserstrahls bekannt, bei der jeweils einen Teil des Querschnittes des Laserstrahls erfassende Zylinderlinsenstäbe im Laserstrahl angeordnet sind, die die erfassten Teilstrahlen einander überlagern und aus der DE 38 41 045 A1 ist ein Laser mit einer homogenen Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt bekannt, wobei im Resonator des Lasers zumindest eine die Laserstrahlung ablenkende optische Einrichtung angeordnet ist, welche die nahe der Mittelachse des Resonators gelegene Strahlung von der Mittelachse weglenkt und nach Reflexion an einem Reflexionsspiegel des Resonators achsparallel ausrichtet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Homogenisierung eines Laserlichtbündels zu schaffen, mit der gleichzeitig die Objektebene und die Pupille homogener ausgeleuchtet wird, ohne dass eine Specklebildung auftritt.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass zwei parallel zueinander angeordnete Linsenarrays vorgesehen sind, wobei vor einem ersten Linsenarray mindestens ein spektral dispergierendes optisches Element, insbesondere ein Beugungsgitter so angeordnet ist, dass der am Beugungsgitter gebeugte Wellenlängenbereich einer Laserlichtquelle an den Fokalorten des ersten Linsenarrays ausgedehnte kontinuierliche Spektren erzeugt. Diese Spektrengenerierung bewirkt eine Aufweitung der bisherigen diskreten Punkte zu durchgehenden Linien.

Eine vorteilhafte Weiterbildung wird darin gesehen, dass vor dem Beugungsgitter ein weiteres Beugungsgitter so angeordnet ist, dass dessen Dispersionsrichtung senkrecht zu der des ersten Beugungsgitters steht und damit eine Aufweitung der linienförmigen Spektren in flächenförmige Spektren erreicht wird, d.h. man erreicht eine nahezu vollständige Füllung der Pupille des zu beleuchtenden Systems.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Beugungsgitter als ein einzelnes Kreuzgitter so ausgebildet ist, dass es gleichzeitig beide senkrecht zueinander stehenden Dispersionsrichtungen erzeugt, wobei das Beugungsgitter in vorteilhafter Weise als hochfrequentes Gitter ausgebildet ist, insbesondere als ein geblaztes holographisches Gitter.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Beugungsgitter wird darin gesehen, dass die Beugungsgitter so dimensioniert sind, dass die Spektrenlänge größer bzw. gleich dem Pichabstand des ersten Linsenarrays ist, um eine möglichst kontinuierliche Energieverteilung in der Pupille zu erzielen.

Wesentlich ist an der neuen Anordnung zur Homogenisierung eines Laserlichtbündels, dass durch die Anordnung von mindestens einem Beugungsgitter vor einem ersten Linsenarray bei schmalbandigen Lichtquellen, insbesondere einem Laser eine deutlich homogenere Ausleuchtung der Pupille eines Beleuchtungssystems erhalten wird.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen darin, dass die zwei Linsenarrays so angeordnet sind, dass das zweite Linsenarray im Fokus des ersten Linsenarrays steht, und damit energetisch nicht mehr so stark beansprucht wird, da im Fokusbereich ein ausgedehntes Feld vorhanden ist. Bei den bekannten Anordnungen mit zwei Linsenarrays ohne das Beugungsgitter muss das zweite Linsenarray oftmals deutlich vom idealen Fokuspunkt weggerückt werden, um eine Zerstörung aufgrund der stark fokussierenden Strahlung zu verhindern.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Homogenisierung eines Laserlichtbündels.
Die in 1 dargestellte Anordnung zur Homogenisierung eines Laserlichtbündels 1 besteht aus einem ersten Linsenarray 2 und einem im Abstand davon angeordneten Linsenarray 3, dem eine Feldlinse 4 nachgeordnet ist, deren Brennweite dem Abstand zwischen dem Linsenarray 2 und 3 entspricht. Trifft das Laserlichtbündel 1 der Laserlichtquelle als aufgeweitetes Parallelbündel auf das Linsenarray 2, so wird dieses Strahlenbündel durch die einzelnen Arraylinsen des Linsenarrays 2 in Supaperturen aufgeteilt, die in einer zu beleuchtenden Bildebene 5 überlagert werden. Um eine bessere Durchmischung der einzelnen aufgeweiteten Supaperturen in der Bildebene 5 zu vermeiden, ist zur weiteren Verbesserung das zweite Linsenarray 3 vorgesehen, welches im Fokus des ersten Linsenarrays 2 steht und eine Art Feldlinsenarray für das erste Linsenarray 2 darstellt. Die in unmittelbarer Umgebung des Linsenarrays 3 angeordnete Feldlinse 4 weist eine Brennweite auf, die dem Abstand zwischen dem Linsenarray 3 und der Bildebene 5 entspricht, so dass eine Überlagerung der einzelnen Nullstrahlen dieser Linsenarrayelemente 3 erfolgt.
Um gleichzeitig die Bildebene 5 und eine Pupille 6, homogener auszuleuchten, so dass eine inhomogene zeitlich variierende Pupille entstehen kann, wird die durch minimale Divergenz kaum vorhandene Dimension des Feldes bei dem Laser durch eine stetige kontinuierliche Dimension und zwar durch das vorhandene Wellenlängenband ersetzt, indem gegenüber dem bekannten Aufbau von Linsenarrays und Feldlinse vor dem ersten Linsenarray 2 ein spektral divergierendes optisches Element, insbesondere ein Beugungsgitter 7, derart angeordnet wird, dass der am Beugungsgitter 7 gebeugte Wellenlängenbereich an den Fokalorten des ersten Linsenarrays 2 ausgedehnte kontinuierliche Spektren erzeugt. Diese Spektrengenerierung bewirkt zunächst zumindestens in einer Dimension der Pupille 6 eine Aufweitung der bisherigen diskreten Punkte zu durchgehenden Linien. Wird vor dieses Beugungsgitter 7 ein weiteres Beugungsgitter 8 positioniert, dessen Dispersionsrichtung senkrecht zum ersten Beugungsgitter 7 steht, wird eine nahezu vollständige Füllung der Pupille 6 des zu beleuchteten Systems erreicht. Beide Beugungsgitter 7 und 8 können auch als ein einzelnes Kreuzgitter ausgeführt werden, welches gleichzeitig beide senkrecht zueinander stehenden Spektralrichtungen erzeugt.
Ein weiterer Vorteil der neuen Anordnung zur Homogenisierung des Laserstrahls besteht darin, dass das zweite Linsenarray 3, das im Fokus des ersten Linsenarrays 2 steht, energetisch nicht mehr so sehr beansprucht wird, da im Fokusbereich ein ausgedehntes Feld vorhanden ist und man nicht wie oftmals üblich das zweite Linsenarray 2 deutlich vom idealen Fokuspunkt wegrücken muss, um eine Zerstörung aufgrund der stark fokussierenden Strahlung zu verhindern. Durch die Verwendung eines bestimmten vorgegebenen Pitchabstandes und dadurch, dass keine Streuscheiben notwendig sind, kann die Speckleproblematik vermindert werden. Da die spektrale Bandbreite des Laser relativ gering ist, beispielsweise ca. 1nm, benötigt man relativ hochfrequente Gitter, vorzugsweise geblazte holographische Gitter. Die Dimensionierung ist dabei so zu wählen, dass die Spektrenlänge größer bzw. gleich dem Pichabstand des ersten Linsenarrays 2 ist, um eine möglichst kontinuierliche Energieverteilung in der Pupille zu erzielen.

1: Laserlichtbündel
2: Linsenarray
3: Linsenarray
4: Feldlinse
5: Bildebene
6: Pupille
7: Beugungsgitter
8: Beugungsgitter

Claims

Anordnung zur Homogenisierung eines Lichtbündels von insbesondere schmalbandigen Lichtquellen in Form eines Lasers zur Feld- und Pupillenausleuchtung in Maskeninspektionssystemen für die Halbleiterindustrie oder allgemein in der Kohärenzoptik, wo aufgeweitete Laserlichtbündel benötigt werden, indem ein Laserlichtbündel durch eine Mehrzahl von in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitung des Laserlichtbündels in einem Array angeordneter optischer Linsen sowie einer dem Linsenarray nachgeordneten Sammellinse als ein aufgeweitetes Laserlichtbündel in die zu beleuchtende Bildebene abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel zueinander angeordnete Linsenarrays (2, 3) vorgesehen sind, wobei vor einem ersten Linsenarray (2) mindestens ein spektral dispergierendes optisches Element, insbesondere ein Beugungsgitter (7), so angeordnet ist, dass der am Beugungsgitter (7) gebeugte Wellenlängenbereich einer Laserlichtquelle an den Fokalorten des ersten Linsenarrays (2) ausgedehnte kontinuierliche Spektren erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Beugungsgitter (7) ein weiteres Beugungsgitter (8) so angeordnet ist, dass dessen Dispersionsrichtung senkrecht zu der des ersten Beugungsgitters (7) steht, zur Aufweitung der linienförmigen Spektren in flächenförmige Spektren.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (7) als ein einzelnes Kreuzgitter so ausgebildet ist, dass es gleichzeitig beide senkrecht zueinander stehenden Dispersionsrichtungen erzeugt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (7) als hochfrequentes Gitter ausgebildet ist, insbesondere als geblaztes holographisches Gitter.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungsgitter (7, 8) so dimensioniert sind, dass die Spektrenlänge größer bzw. gleich dem Pitchabstand des ersten Linsenarrays (2) ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Linsenarray (3) im Fokus des ersten Linsenarrays (2) steht, ohne starke energetische Beanspruchung. Hierzu 1 Seite Zeichnung