DE102005060517A1

DE102005060517A1 - Belastungsfester Prismenpolarisator

Info

Publication number: DE102005060517A1
Application number: DE200510060517
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Schuster
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-21

Abstract

Ein Prismenpolarisator weist zwischen einem ersten und einem zweiten Prisma ein Polarisationsteilerelement auf. Dieses ist zur Transmission von Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung und zur Reflexion von Licht mit einer zweiten Polarisationsrichtung vorgesehen. Das erste und/oder das zweite Prisma bestehen aus einem synthetisch herstellbaren, optischen einachsigen doppelbrechenden Material, dessen doppelbrechende Eigenschaften im Wellenlängenbereich des Lichts im wesentlichen von spannungsinduzierter Doppelbrechung unabhängig sind. Eine Spannung im Prismenmaterial kann z. B. durch den Betrieb des Prismenpolarisators mit Licht entstehen, wenn dieses das Primenmaterial erwärmt. Durch die Erfindung kann eine daraus resultierende Zerstörung des durch den Prismenpolarisator erzeugten, definierten Polarisationszustands vermieden werden. Der Prismenpolarisator eignet sich unter anderem zur Verwendung in Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Prismenpolarisator mit einem zwischen einem ersten und zweiten Prisma angebrachten Polarisationsteilerelement, welches zur Transmission von Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung und zur Reflexion von Licht mit einer zweiten Polarisationsrichtung vorgesehen ist.

Diskussion des verwandten Standes der Technik

Derartige Prismenpolarisatoren sind verschiedentlich bekannt und werden u.a. zur Aufspaltung eines beliebig polarisierten Lichtstrahls in zwei linear polarisierte Teilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung verwendet. Häufig wird hierbei der vom Polarisationsteilerelement reflektierte Teilstrahl verworfen, während der transmittierte, linear polarisierte Teilstrahl als Lichtstrahl weiterverwendet wird.

Ein typischer Prismenpolarisator ist der Glan-Thompson Polarisator. Dieser Polarisator nutzt den allgemeinen Effekt, dass an einer Grenzschicht zwischen einem ersten Medium (mit Brechzahl n₁) und einem zweiten Medium (mit Brechzahl n₂) bei genügend hohem Einfallswinkel Totalreflexion auftritt, wenn die Brechzahl des ersten Mediums größer ist als die Brechzahl des zweiten Mediums (n₁ > n₂). Besteht das erste Medium aus einem doppelbrechenden Kristall, so spaltet dieser das Licht in einen ordentlichen Teilstrahl mit senkrecht zum Hauptschnitt des Kristalls liegendem Lichtvektor und einen außerordentlichen Teilstrahl mit parallel zum Hauptschnitt liegendem Lichtvektor auf. Als Lichtvektor wird hier die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldstärkevektors bezeichnet. Der Hauptschnitt des Kristalls bezeichnet die Ebene, die durch die kristallographische Hauptachse und die Richtung der Wellenfronten festgelegt wird. Die Brechzahl des ordentlichen Teilstrahls (n_o) ist in der Regel isotrop, während die Brechzahl des außerordentlichen Teilstrahls (n_e) von der Lichtrichtung im Kristall abhängt. Insbesondere bei Ultraviolettlicht kann es für den Teilstrahl n_o zu einer räumlichen Dispersion kommen. Im folgenden wird mit der Brechzahl n_e bei Kristallen mit positiver Doppelbrechung der Maximalwert n_{e max} und bei Kristallen mit negativer Doppelbrechung der Minimalwert n_{e min} der Brechzahl des außerordentlichen Teilstrahls bezeichnet.

Liegt die Brechzahl eines der beiden Teilstrahlen über der Brechzahl des zweiten Mediums, die des anderen Teilstrahls hingegen unter dieser Brechzahl, kann dies dazu führen, dass der Teilstrahl mit der größeren Brechzahl an der Grenzfläche reflektiert wird, der Teilstrahl mit der niedrigeren Brechzahl hingegen bis auf Fresnellsche Reflexionsverluste ungehindert die Grenzfläche passiert. Bei geeigneter Ausrichtung der Grenzfläche im Bezug auf den einfallenden Teilstrahl (der für die Reflexion vorgesehene Teilstrahl muss unter einem Winkel auf die Grenzfläche treffen, der größer ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion) kann die gewünschte Polarisationsteilungswirkung erzielt werden.

Zur Erzeugung einer als Polarisationsteilerelement dienenden Grenzfläche wird beim herkömmlichen Glan-Thompson Polarisator optischer Kitt als Polarisationsteilerelement zwischen das erste und das zweite Prisma eingebracht. Als Prismenmaterial wird häufig der einachsige Kristall Kalkspat (CaCO₃) verwendet, da dieser eine große Brechzahldifferenz |Δn| = |n_o – n_e| zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl aufweist und dadurch für einen großen Winkelbereich die Polarisationsteilung ermöglicht. Kalkspat hat negative Doppelbrechung.

In der US 3,511,556 wird ein verbesserter Glan-Thompson Polarisator vorgeschlagen, bei dem eines der beiden Prismen des Polarisators aus einem optisch isotropen Material hergestellt wird. Hierdurch wird die Menge von Kalkspat, die zur Herstellung des Polarisators notwendig ist, auf die Hälfte reduziert. Dies erweist sich als vorteilhaft, da Kalkspat nicht künstlich hergestellt wird, in der Natur nicht in beliebigen Mengen verfügbar ist und Stücke ausreichender Größe mit geringen Kristallbaufehlern kaum erhältlich bzw. sehr teuer sind. Als nachteilig kann es sich erweisen, wenn das Prisma aus optisch isotropem Material im Lichtweg nach dem Polarisationsteilerelement angebracht ist, da in diesem Fall auch schon kleine, z.B. durch Temperaturänderungen bei der Bestrahlung hervorgerufene Spannungsänderungen im Prismenmaterial eine spannungsinduzierte Doppelbrechung hervorrufen können, welche den definierten linearen Polarisationszustand, den das Nutzlicht nach dem Durchgang durch das Polarisationsteilerelement aufweist, zerstören können.

Ein weiteres Einsatzgebiet von Prismenpolarisatoren ist die Verwendung als physikalischer Strahlteiler, z.B. in Projektionsobjektiven von Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen. Der Prismenpolarisator dient hier als Strahlumlenkeinrichtung, die je nach Polarisationsvorzugsrichtung das Licht nach Art eines Umlenkspiegels unter Reflexion umlenkt oder transmittiert und nicht zur Erzeugung von polarisiertem Licht, da schon linear polarisiertes Licht in den Prismenpolarisator eingestrahlt wird. Die dort als Strahlteiler verwendeten Prismenpolarisatoren können entsprechend dem Strahldurchmesser der verwendeten Strahlung ein erhebliches Bauvolumen aufweisen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prismenpolarisator bereitzustellen, bei dem negative Effekte durch spannungsinduzierte Doppelbrechung weitgehend vermieden werden. Insbesondere soll der Prismenpolarisator auch mit großem Bauvolumen herstellbar sein.

Die Aufgabe wird gemäß einer Formulierung der Erfindung gelöst. Durch einen Prismenpolarisator mit einem zwischen einem ersten und zweiten Prisma angebrachten Polarisationsteilerelement, welches zur Transmission von Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung und zur Reflexion von Licht mit einer zweiten Polarisationsrichtung vorgesehen ist, wobei das erste und/oder das zweite Prisma aus einem synthetisch herstellbaren, optisch einachsigen doppelbrechenden Material besteht, dessen doppelbrechende Eigenschaften im Wellenlängenbereich des Lichts im Wesentlichen von spannungsinduzierter Doppelbrechung unabhängig sind.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.

Bei einem erfindungsgemäßen Prismenpolarisator der eingangs genannten Art besteht das erste und/oder das zweite Prisma aus einem synthetisch herstellbaren, optisch einachsigen doppelbrechenden Material, dessen doppelbrechende Eigenschaften im Wellenlängenbereich des verwendeten Lichts im wesentlichen von spannungsinduzierter Doppelbrechung unabhängig sind. Bei Verwendung von Prismenmaterialien mit ausreichend großer, materialspezifischer Doppelbrechung ist die spannungsinduzierte Doppelbrechung, wie sie z.B. durch Temperaturschwankungen oder mechanische Einflüsse hervorgerufen werden kann, vernachlässigbar klein und hat daher im Vergleich zur ohnehin vorhandenen, materialspezifischen Doppelbrechung praktisch keine polarisationsverändernde Wirkung auf das Licht. Durch den Einsatz von Materialien, die synthetisch herstellbar sind, kann der Prismenpolarisator bei Bedarf mit großem Bauvolumen ausgeführt werden. Insbesondere bei Verwendung von synthetischem NaNO₃ sind große Querschnitte auch für die stark doppelbrechende Platte realisierbar. Dieses Material ist zwar wasserlöslich, kann aber in gegen Wasser geschützter Umgebung genutzt werden. Weiterhin gut geeignet als Prismenmaterial sind synthetisch hergestellter Bergkristall (SiO₂), MgF₂, LaF₃ oder Al₂O₃.

Die folgende Tabelle listet weitere Kristallmaterialien, die zur Herstellung der stark doppelbrechenden Platte verwendet werden können. Die Brechzahlen sind jeweils für λ = 589 nm angegeben.

Die folgende Tabelle listet weitere einachsige Kristallmaterialien, deren Doppelbrechung ausreichend groß ist, um als Prismenmaterial verwendet zu werden. Die Brechzahlen sind jeweils für λ = 589 nm angegeben.

Bei Verwendung des Prismenpolarisators zur Erzeugung linear polarisierten Lichts, insbesondere für Beleuchtungszwecke, ist es möglich, das im Lichtweg vor dem Polarisationsteilerelement befindliche Prisma aus einem optisch istotropen, amorphen oder kristallinen Material herzustellen, solange unpolarisiertes Licht (z.B. natürliches Licht) verwendet wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung besteht das erste und/oder das zweite Prisma des Prismenpolarisators aus einem doppelbrechenden Material mit einer Brechzahldifferenz Δn_P im Wellenlängenbereich des Lichts von 0,0005 < |Δn_P| = |n_Po – n_Pe| < 0,01 und das Polarisationsteilerelement aus einem doppelbrechenden Material mit einer Brechzahldifferenz Δn_T im Wellenlängenbereich des Lichts von |Δn_T| = |n_To – n_Te| > 0,1.

Das Prismenmaterial ist somit schwächer doppelbrechend als das Material des Polarisationsteilerelements. Die Doppelbrechung des Prismenmaterials ist aber ausreichend, um die Zerstörung eines definierten Polarisationszustandes durch spannungsinduzierte Doppelbrechung zu verhindern. Die spannungsinduzierte Doppelbrechung (SDB) kann von außen durch mechanische Spannungen oder durch Wärmeeintrag oder -austrag und damit durch innere Spannungen entstehen. Unabhängig davon können Kristallbaufehler eine andauernde innere Doppelbrechung verursachen. Die Brechzahldifferenz |Δn_P| ist hierbei so gering, dass das Prismenmaterial für eine Reihe von Anwendungen, wie Polarisator und Analysator in der optischen Messtechnik, im wesentlichen wie ein optisch isotropes Material mit einer einzigen Brechzahl n_P behandelt werden kann, die beispielsweise durch Mittelwertbildung aus den Brechzahlen n_Po und n_Pe festgelegt ist.

Die starke Doppelbrechung des Polarisationsteilerelements erzeugt eine ausreichend große Brechzahldifferenz |Δn_T| zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl, um eine effiziente Polarisationsteilung zu gewährleisten. Wenn ein positiv doppelbrechendes Prismenmaterial zum Einsatz kommt, ist die Brechzahl des ordentlichen Strahls n_To kleiner als die Brechzahl des außerordentlichen Strahls n_Te. Bei negativ doppelbrechendem Material ist es umgekehrt, d.h. n_To > n_Te. Die Brechzahl der Prismen n_P sollte möglichst nahe an der größeren der beiden Brechzahlen n_To, n_Te liegen, damit der vom Polarisationsteilerelement transmittierte Strahl den Polarisator möglichst ohne eine Veränderung (wie z.B. Brechung, Reflexionsverluste) des Strahldurchgangs durchlaufen kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Prismenpolarisator ein Polarisationsteilerelement auf, das aus einer Platte aus CaCO₃ besteht. Mit einer solchen Ausführungsform des Prismenpolarisators ist ein großvolumiger Aufbau des Polarisators realisierbar, ohne dass große Volumen von CaCO₃ erforderlich sind, da hierbei nur eine relativ kleinvolumige (dünne) Platte aus CaCO₃ benötigt wird, die in ausreichender Größe hergestellt werden kann. Ein großer CaCO₃-Kristall genügt, um viele einzelne dünne Platten herzustellen. Planparallele Platten sind bevorzugt, eine Platte kann aber auch schwach keilförmig sein, d.h. nicht-parallele Plattenflächen haben.

Die Totalreflexion kann auf einer Lichteintrittsseite der Platte aus CaCO₃ auftreten, wenn an dieser ein Übergang vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium stattfindet.

In einer Ausführungsform ist dem Polarisationsteilerelement eine Kompensationsplatte zur Korrektur des Strahlversatzes zugeordnet. Das Anbringen einer solchen Platte erweist sich insbesondere dann als günstig, wenn die Brechzahl des Prismas n_P nicht mit der größeren der beiden Brechzahlen n_To oder n_Te des Polarisationsteilerelements übereinstimmt, so dass der transmittierte Teilstrahl an den Grenzflächen zwischen Prisma und Polarisationsteilerelement eine Ablenkung erfährt. Die Wirkung dieser Ablenkung kann durch die Kompensationsplatte korrigiert werden, indem die Dicke und Brechzahl der Kompensationsplatte geeignet gewählt werden. Ziel der Kompensation ist es, einen Strahlversatz zwischen eintretendem Lichtstrahl und austretendem Lichtstrahl zu minimieren oder Aberrationen zu vermeiden, die sich insbesondere bei Verwendung von konvergentem oder divergentem einfallenden Licht und insbesondere bei Verwendung derartiger Bauteile in einem abbildenden Strahlengang nachteilig auswirken können.

Eine Kompensationsplatte zur Korrektur des Strahlversatzes kann direkt am Polarisationsteilerelement angebracht sein. Es kann sich beispielsweise um eine planparallele Platte handeln, die in direkten Flächenkontakt zu einer planparallelen Platte des Polarisationsteilerelements steht. Es kann jedoch günstig sein, wenn die Kompensationsplatte nicht parallel zum Polarisationsteilerelement ausgerichtet ist, sondern in einem Winkel zu diesem steht. Dann kann der Winkel, den die Kompensationsplatte mit der Hauptdurchstrahlungsrichtung einnimmt, unabhängig von der Ausrichtung des Polarisationsteilerelements günstig eingestellt werden. Bei einer Ausführungsform, die besonders für hohe Ansprüche bezüglich Strahlqualität für geöffnete Büschel (konvergent oder divergent) ausgelegt ist, ist die Kompensationsplatte entgegen der Winkellage des Polarisationsteilerelements gegenüber der Durchstrahlungsrichtung verkippt. Hierdurch lässt sich bei geeigneter Auslegung von Winkel und Plattendicken eine vollständige Bildfehlerkompensation in der Einfallsebene des durchtretenden Lichts erzielen.

In einer Weiterbildung der Erfindung bestehen das erste und das zweite Prisma des Polarisators aus Al₂O₃. Die Brechzahlen von Al₂O₃ liegen bei Verwendung eines geeigneten Wellenlängenbereichs (sichtbares Licht) in der Nähe der Brechzahl des ordentlichen Strahls von CaCO₃, so dass ein paralleler Strahlversatz des transmittierten Teilstrahls hinreichend klein ist, um bei typischen Laboranwendungen oder der Verwendung von kollimiertem Licht keine störende Auswirkung zu haben. Bei Verwendung von konvergentem oder divergentem Licht kann eine Kompensationsplatte den resultierenden Astigmatismus bei Feldbelastung und den Strahlversatz korrigieren. Die Verwendung von Al₂O₃ oder LaF₃ als Prismenmaterial hat außerdem den Vorteil, dass dieses in hoher Kristallqualität und in für alle praktischen Fälle ausreichenden Volumina verfügbar ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Prismenpolarisator für einen Spektralbereich des Lichts von 200 nm bis 3,3 μm ausgelegt. Der Prismenpolarisator ist somit für eine große Bandbreite von Wellenlängen ausgelegt und für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Er kann z.B. in der oben beschriebenen Kombination aus Al₂O₃ als Prismenmaterial und CaCO₃ als Polarisationsteilerelement ausgeführt sein. Man kann im Rahmen der Erfindung aber auch für andere Teilbereiche des Spektrums Materialien finden, mit denen sich ein Prismenpolarisator geeignet aufbauen lässt. Auch folgende Materialkombinationen für Prisma/Polarisationsteilerelement sind möglich: SiO₂/NaNO₃ oder LaF₃/CaCO₃.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Polarisationsteilerelement des Prismenpolarisators ein Mehrlagen-Schichtsystem. Die Zahl der doppelbrechenden Materialien, die zur Herstellung eines Polarisationsteilerelements geeignet sind, und damit die Zahl der zur Verfügung stehenden Brechzahlen ist, insbesondere für Anwendungen im UV-Bereich und im fernen IR-Bereich, gering. Mehrlagen-Schichtsysteme können hingegen in unterschiedlichen Varianten mit unterschiedlichen Brechzahlen ausgeführt sein, da diese mit mehrfacher Reflexion arbeiten. Die Brechzahl des Polarisationsteilerelements, die an die Prismenbrechzahl n_P angepasst werden muss, ist bei Verwendung eines Mehrlagen-Schichtsystems in einem weiten Bereich wählbar. Außerdem sind auch Bauformen des Prismenpolarisators herstellbar, für die Platten aus stark doppelbrechendem Volumenmaterial nicht in ausreichender Größe zur Verfügung stehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Mehrlagen-Schichtsystem des Prismenpolarisators alternierende Schichten von MgF₂/LaF₃ und/oder MgF₂/BaF₂ auf. Der Einsatz eines solchen Schichtsystems kann sich im Zusammenhang mit MgF₂ als Prismenmaterial besonders günstig auswirken, insbesondere für Anwendungen im tiefen Ultraviolett.

In einer Weiterbildung der Erfindung besteht das erste und/oder das zweite Prisma aus MgF₂ oder SiO₂. Diese Materialien können in Zusammenhang mit Mehrlagen-Schichtsystemen besonders vorteilhaft eingesetzt werden, da die Brechzahl des Polarisationsteilerelements hier an die Prismenbrechzahl derart angepasst werden kann, dass ein von Strahlversatz freier Strahlverlauf gewährleistet ist. SiO₂ ist in großen Volumendimensionen einkristallin relativ kostengünstig herstellbar. Die Kristalle MgF₂ oder SiO₂ sind auch bei geringen Lichtwellenlängen im tiefen Ultraviolett, insbesondere bei 157 nm, noch transparent. Werden eine höhere Prismenbrechzahl und gute optische Qualität benötigt, so ist LaF3 für 193 nm besonders geeignet. Im Infrarotbereich ist CdS als Prismenmaterial verwendbar.

In einer Ausführungsform sind die Kristallachsen des ersten und zweiten Prismas des Prismenpolarisators parallel ausgerichtet. Beim Durchgang des Lichts durch den Prismenpolarisator wirkt dieser in diesem Fall wie eine planparallele Platte, ohne eine umlenkende Wirkung auf das Licht auszuüben.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung bestehen das erste und das zweite Prisma aus positiv doppelbrechendem Material, dessen Kristallachsen parallel zu einer Licht-Einfallsebene des Polarisationsteilerelements orientiert sind. Durch diese Orientierung der Kristallachsen bleibt die Polarisation des am Polarisationsteilerelement transmittierten ordentlichen Strahls im nachfolgenden Prisma unverändert. Ähnliche Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer Weiterbildung der Erfindung das erste und das zweite Prisma aus negativ doppelbrechendem Material bestehen, dessen Kristallachsen senkrecht zu einer Licht-Einfallsebene des Polarisationsteilerelements orientiert sind.

In einer Ausführungsform des Prismenpolarisators liegt die Wellenlänge des Lichts im tiefen Ultraviolettbereich (DUV) zwischen 100 nm und 300 nm, vorzugsweise zwischen 150 und 200 nm, insbesondere bei ca. 157 nm. Für eine Wellenlänge von 157 nm sind die Kristalle MgF₂ oder SiO₂ geeignete Prismenmaterialien, für größere Wellenlängen können auch LaF₃ oder Al₂O₃ als Materialien verwendet werden. Im Infrarotbereich ist z.B. CdS verwendbar.

Eine erfindungsgemäße Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv weist mindestens einen Prismenpolarisator auf. Dieser kann in einem katadioptrischen Projektionsobjektiv als physikalischer Strahlteiler vorgesehen sein. Es kann sich insbesondere für eine Einsatz des Projektionsobjektivs im tiefen Ultraviolett, z.B. bei einer Wellenlänge von 157 nm, als vorteilhaft erweisen, wenn das erste und das zweite Prisma des Prismenpolarisators aus MgF₂ oder SiO₂ bestehen. Ein derart ausgebildeter Prismenpolarisator weist bezüglich der Erhaltung des Polarisa tionsgrades praktisch keine störende Temperaturdrift auf und ist für eine Strahlung dieser Wellenlänge transparent.

Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Anordnung des Prismenpolarisators in einem Objektiv des Beleuchtungssystems der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage möglich. Der Prismenpolarisator kann zur Herstellung eines linearen Polarisationszustands des vom Beleuchtungssystem in die Retikelebene eingestrahlten Lichts verwendet werden.

Um trotz begrenzter Verfügbarkeit von Materialien für das Polarisationsteilerelement gegebenenfalls großflächige Polarisationsteilerelemente realisieren zu können, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das Polarisationsteilerelement durch eine Platte gebildet ist, die aus mindestens zwei aneinander grenzenden Plattensegmenten aufgebaut ist, die sich flächenhaft aneinander grenzend zu einer größeren, mehrteiligen Platte ergänzen. Die Plattensegmente sind vorzugsweise gleichartig dick und planparallel. Um zu vermeiden, dass in den Stoßbereichen zwischen Plattensegmenten Lichtdurchlässe entstehen, in denen keine polarisationsteilende Wirkung auftritt, kann es günstig sein, wenn die einzelnen Plattensegmente in dem zum Kontakt mit einem benachbarten Plattensegment vorgesehenen Stoßbereich schräg zur Plattenfläche geschnitten sind, so dass die Plattensegmente im Bereich der Stoßflächen sich in Durchstrahlungsrichtung teilweise überlappen können. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass über den gesamten Querschnitt eines Polarisationsteilerelementes eine polarisationsteilende Wirkung erzielt wird. In Bezug auf die Schrägstellung einer Polarisationsteilerplatte gegenüber der Durchstrahlungsrichtung können die Stoßflächen so ausgerichtet sein, dass im Wesentlichen ein nahezu senkrechter Durchgang der Strahlung durch die Stoßflächen erreicht wird. So kann ein praktisch störungsfreier optischer Durchgang realisiert werden.

Bei der Auswahl geeigneter Materialkombinationen für Prismen und Polarisationsteilerelemente sollte darauf geachtet werden, dass eine Brechzahldifferenz zwischen dem Prismenmaterial und dem Material des Polarisationsteilerelements möglichst klein ist. Idealerweise sollte diese Brechzahldifferenz gleich Null sein. Üblicherweise ist dies jedoch nicht erzielbar. In diesem Fall ist bevorzugt, wenn die Brechzahl n_P des Prismenmaterials größer ist als die Brechzahl n_T der Polarisationsteilerplatte, da in diesem Fall das Polarisationsteilerelement steiler in den Strahlengang eingebaut werden kann und dementsprechend kleiner ausgelegt werden kann.

In einem Prismenpolarisator gibt es an verschiedenen Stellen Übergangsbereiche zwischen einander zugewandten Grenzflächen benachbarter optischer Elemente des Prismenpolarisators, beispielsweise zwischen einem Prisma und einer benachbarten Platte, zwischen zwei benachbarten Platten oder zwischen zwei benachbarten Prismen. Je nach Anwendungsfall kann es möglich sein, solche Materialkombinationen zu wählen, bei denen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der aneinander grenzenden Materialien nahe beieinander liegen. In diesen Fällen ist eine optische Ankopplung der aneinander grenzenden optischen Elemente mittels Ansprengen (contacting, wringing) oder Verkitten in der Regel unproblematisch. Im allgemeinen ist jedoch mit einem gewissen Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der benachbarten Materialien zu rechnen. Selbst wenn die Polarisationserhaltung aufgrund der systemeigenen Doppelbrechung nicht gefährdet ist, kann daraus eine Wellenfrontdeformation resultieren. Um diese Probleme zu vermeiden, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, die optische Ankopplung zwischen benachbarten optischen Elementen des Prismenpolarisators über eine dünne Schicht eines Immersionsfluids oder im optischen Nahfeld mit Hilfe evaneszenter Felder vorzusehen. Da in diesen Fällen die einander zugewandten Grenzflächen benachbarter optischer Elemente mechanisch weitgehend entkoppelt sind, könne Unterschiede in der Wärmeausdehnung der Materialien zugelassen werden.

Bei einer Weiterbildung ist in mindestens einem Übergangsbereich zwischen einer ersten Grenzfläche eines ersten optischen Elementes des Prismenpolarisators und einer der ersten Grenzfläche zugewandten zweiten Grenzfläche eines benachbarten zweiten optischen Elementes des Prismenpolarisators ein Spalt mit einer endlichen Spaltbreite vorgesehen. Über den in der Regel planparallel begrenzten Spalt kann Lichtenergie zwischen den benachbarten optischen Elementen übertreten, ohne dass diese im Übergangsbereich in mechanischem Kontakt stehen.

Bei einer Ausführungsform ist der Spalt mit einem Immersionsfluid, insbesondere mit einer Immersionsflüssigkeit, gefüllt, so dass eine Immersionsschicht gebildet wird. Sofern die Immersionsschicht zwischen einem Prisma und einer stark doppelbrechenden Platte vorgesehen ist, sollte die Immersionsflüssigkeit so gewählt sein, dass ihre Brechzahl möglichst nahe an der oberen Brechzahl der stark doppelbrechend Platte liegt. Dadurch können Auswirkungen auf den durchgelassenen Strahl bei Durchbiegung der Platte minimiert werden. Eine Immersionsschicht kann zwischen einem Prisma und einer benachbarten Platte, zwischen zwei benachbarten Platten oder zwischen zwei benachbarten Prismen vorgesehen sein. Typische Spaltbreiten bei der Verwendung von Immersionsfluiden liegen im Bereich zwischen 50 μm und 200 μm.

Gemäß einer anderen Weiterbildung hat der Spalt eine Spaltbreite, die eine Überkopplung von Strahlungsenergie zwischen den benachbarten optischen Elementen, d.h. zwischen der ersten Grenzfläche und der zwei ten Grenzfläche, über ein optisches Nahfeld erlaubt. Um einen guten Wirkungsgrad der Überkopplung zu erlauben, sollte die Spaltbreite hierfür kleiner sein als die Arbeitswellenlänge des Prismenpolarisators. Besonders günstig sind Werte von weniger als 10%, insbesondere weniger als 3%, der Arbeitswellenlänge λ. Die Überkopplung von Strahlungsenergie zwischen benachbarten optischen Elementen kann zwischen einem Prisma und einer benachbarten Platte, zwischen zwei benachbarten Platten und/oder zwischen zwei benachbarten Prismen vorgesehen sein.

Kombinationen von verkitteten oder angesprengten optischen Übergängen mit optischen Übergängen über eine Immersionsschicht und/oder über optisches Nahfeld sind möglich.

Um dauerhaft die gewünschte Spaltbreite einzustellen, ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass zwischen der ersten Grenzfläche und der zweiten Grenzfläche Abstandhalter zur Einstellung der Spaltbreite vorgesehen sind. Diese sind vorzugsweise außerhalb des optisch genutzten Bereiches des Prismenpolarisators angebracht, so dass der Lichtdurchtritt nicht gestört wird. Die Abstandhalter können durch Folien, Fasern geeigneter Dicke oder andere weitgehend starre Körper gebildet sein, die zwischen die benachbarten optischen Elemente eingelegt werden. Es ist auch möglich, dass ein Abstandhalter durch mindestens eine stegförmige Beschichtung gebildet wird, die auf die erste Grenzfläche und/oder auf die zweite Grenzfläche aufgebracht ist. Beispielsweise kann die für den Lichtdurchtritt vorgesehene Fläche durch einen Rahmen umschlossen sein, der durch einen ringförmigen Abstandhalter gebildet ist, der durch ein Dünnschichtverfahren, beispielsweise Aufdampfen, auf einer der einander gegenüber liegenden Grenzflächen aufgebracht wurde.

Sofern eine mechanische Entkopplung benachbarter optischer Elemente nicht gewünscht oder nicht praktikabel erscheint, können dennoch die negativen Auswirkungen und Unterschiede der thermischen Ausdehnung benachbarter optischer Elemente minimiert werden. Hierzu ist bei einer Weiterbildung vorgesehen, dass das erste optische Element und das zweite optische Element jeweils aus doppelbrechendem Material mit anisotroper thermischer Ausdehnung bestehen und dass das erste und das zweite optische Element derart zueinander ausgerichtet sind, dass Richtungen mit minimaler thermischer Ausdehnung der benachbarten optischen Elemente im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. In diesem Fall können die Auswirkungen von Ausdehnungsunterschieden minimiert werden, auch wenn die optischen Elemente miteinander verkittet oder aneinander angesprengt sind.

Die vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jedes für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei Ausführungsformen der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Prismenpolarisators mit einer Platte aus CaCO₃ als Polarisationsteilerelement;

2 zeigt eine schematische Seitenansicht des Prismenpolarisators von 1 mit einer zusätzlichen Kompensationsplatte;

3 zeigt vier schematische Seitenansichten von Ausführungsformen eines Prismenpolarisators mit Prismen aus positiv doppelbrechendem Material;

4 zeigt vier schematische Seitenansichten von Ausführungsformen eines Prismenpolarisators mit Prismen aus negativ doppelbrechendem Material;

5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines katadioptrischen Projektionsobjektivs und eines Beleuchtungssystems einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit jeweils einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prismenpolarisators;

6 zeigt verschiedene Ansichten eines Polarisationsteilers, bei dem das plattenförmige Polarisationsteilerelement aus mehreren, aneinander angrenzenden Plattensegmenten aufgebaut ist;

7 zeigt eine Detailansicht eines Stoßbereiches zwischen benachbarten Plattensegmenten, die entlang von schrägen Stoßflächen aneinander stoßen;

8 zeigt andere Ansichten von Plattensegmenten, die entlang schräger Stoßflächen aneinander stoßen;

9 zeigt eine Ausführungsform eines Prismenpolarisators mit Polarisationsteilerplatte und dazu paralleler Kompensationsplatte;

10 zeigt eine Ausführungsform eines Prismenpolarisators, bei dem eine Polarisationsteilerplatte und eine Kompensationsplatte unterschiedliche Winkel mit der Durchstrahlungsrichtung einschließen;

11 zeigt eine Anwendung von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren in einem Polarisator-Analysator-Paar für eine Messtechnik-Anwendung;

12 zeigt eine Ausführungsform eines Prismenpolarisators, bei dem eine Polarisationsteilerplatte und eine Kompensationsplatte gegenüber der Durchstrahlungsrichtung in entgegengesetzte Richtungen verkippt sind;

13 zeigt eine Ausführungsform eines Prismenpolarisators, bei dem zwischen benachbarten Grenzflächen der Prismen und der Polarisationsteilerplatte jeweils eine dünne Immersionsschicht vorgesehen ist;

14 zeigt eine Ausführungsform eines Prismenpolarisators, bei dem eine Überkopplung von Licht zwischen Prismen und Polarisationsteilerplatte über ein optisches Nahfeld erfolgt; und

15 zeigt eine Draufsicht auf eine Oberfläche einer Polarisationsteilerplatte mit einem durch Bedampfen erzeugten, ringförmigen Abstandhalter.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Prismenpolarisators 1 mit einer dünnen Platte 4 aus CaCO₃ (Dicke ca. 100 μm) als Polarisationsteilerelement. Das erste Prisma 2 und das zweite Prisma 3 des Prismenpolarisators 1 bestehen aus einkristallinem Al₂O₃ und haben identische Bauform. Das erste Prisma weist senkrecht zu einer viereckigen Grundfläche vier ebene Seitenflächen 6, 7, 8, 9 auf.
Zwei gegenüberliegende Seitenflächen 7, 9 sind parallel ausgerichtet und eine dritte Seitenfläche 8 steht senkrecht zu diesen beiden. Eine vierte Seitenfläche 6 schneidet die zwei parallelen Seitenflächen 7, 9 unter einem Winkel von ca. 26,5°. Das zweite Prisma 3 ist gegenüber dem ersten Prisma 2 um 180° gedreht angeordnet, so dass beide zusammen einen Quader bilden, wobei die vierte Seitenfläche 6 des ersten Prismas und die entsprechende Seitenfläche des zweiten Prismas an die beiden Seitenflächen der Platte 4 angrenzen.
Die Einfallsebene des Lichtstrahls 10 ist parallel zu den Grundflächen der Prismen 2, 3 ausgerichtet und der Strahl tritt senkrecht zur Seitenfläche 8 in den Prismenpolarisator 1 ein. Die im folgenden als Kristallachse bezeichnete, kristallographische Hauptachse des einachsigen Al₂O₃ liegt ebenfalls parallel zu dieser Ebene, was in 1 durch einen Doppelpfeil symbolisiert ist. Der Lichtstrahl wird durch das positiv doppelbrechende Al₂O₃ in einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl aufgespalten. Die Brechzahldifferenz |Δn_P| dieses Materials ist aber so gering, dass für viele Anwendungen von einer einzigen Brechzahl n_P ausgegangen werden kann, wie oben bereits näher ausgeführt. Beträgt die Wellenlänge des Lichts ca. 546 nm, so liegt diese (mittlere) Brechzahl bei n_P = 1,77078. Der Lichtstrahl trifft auf die Lichteintrittsseite der Platte 4, die aus CaCO₃ mit Brechzahlen n_o = 1,6165 und n_e = 1,48790 besteht und daher optisch dünner ist als das angrenzende Prisma. Die Kristallachse des CaCO₃-Kristalls der Platte 4 liegt in der Plattenebene und liegt gleichzeitig senkrecht zur Einfallsebene und damit senkrecht zur Schwingungsrichtung des transmittierten polarisierten Lichtes. An der Grenzfläche zwischen dem ersten Prisma 2 und der optisch dünneren Platte 4 wird der parallel zur Einfallsebene polarisierte, ordentliche Teilstrahl 21 daher transmittiert, während der senkrecht zur Einfallsebene polarisierte, außerordentliche Teilstrahl 20 an der Grenzfläche totalreflektiert wird. Die Eintrittsfläche der Platte 6 wird unter einem Winkel von ca. 63,5° im Bezug zur Flä chennormalen getroffen, so dass die Bedingung für Totalreflexion erfüllt ist. Der parallel zur Einfallsebene polarisierte Teilstrahl 21 durchläuft die Platte 6 und tritt dahinter in das zweite Prisma 3 ein, wobei er nur unerheblich parallel versetzt wird. Die lineare Polarisation des Teilstrahls wird vom Prismenmaterial nicht verändert, so dass der Teilstrahl das Prisma vollständig linear polarisiert und im wesentlichen ohne Strahlversatz verlässt.
Die Aufrechterhaltung der linearen Polarisation im zweiten Prisma 3 hat zwei Ursachen: Einerseits wird der Polarisationszustand des Lichts nicht unkontrolliert durch Spannungsdoppelbrechung, wie sie insbesondere durch Erwärmung im Betrieb des Prismenpolarisators auftreten kann, beeinflusst, da Al₂O₃ stark genug doppelbrechend (Δn (546 nm) = 0,0082) ist, damit sich solche Effekte praktisch nicht auswirken können. Der Kristalltensor der eingeprägten Doppelbrechung lässt sich weder in der Länge noch in der Richtung durch äußere Einflüsse während des Betriebs wesentlich beeinflussen. Andererseits ist die Kristallachse des Al₂O₃-Kristalls des zweiten Prismas 3 parallel zur Polarisationsrichtung ausgerichtet, so dass der ordentliche Strahl keine Polarisationsveränderung erfährt, wie z.B. eine Umwandlung in elliptisch oder zirkular polarisiertes Licht.
Der in 1 gezeigte Prismenpolarisator ist in einem großen Wellenlängenbereich einsetzbar, da die Brechzahldifferenz |Δn| von Kalkspat sowohl im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich wie auch im Infrarotbereich hinreichend groß ist, um eine Polarisationsteilungswirkung zu erzielen. Für eine Wellenlänge von 200 nm (UV-Bereich) liegen die Brechzahlen von Kalkspat für den ordentlichen Strahl bei n_o = 1.90284 und für den außerordentlichen Strahl bei n_e = 1.57649. Bei 589 nm (sichtbarer Bereich) liegen diese bei n_o = 1.65835 und n_e = 1.48640. Im Infrarotbereich bei 1497 nm betragen sie schließlich n_o = 1.63457 und n_e = 1.47744. Für größere Wellenlängen gibt es einen Übergangsbe reich vom negativ doppelbrechenden CaCO₃ zu positiv doppelbrechendem CaCO₃, bei dem die Brechzahldifferenz |Δn| nicht mehr für eine Polarisationsstrahlteilung ausreicht. Die beiden Prismen 2, 3 und die Platte 4 können mit optischem Kitt verbunden werden, vorteilhafter ist es aber, wenn sie aneinander angesprengt werden.
Für besonders empfindliche Anwendungen können die Partner in einem optischen Nahfeld aneinander gekoppelt sein. Dazu wird ein endlicher Abstand der optischen Flächen z.B. auf einen Wert von weniger als 10% der Arbeitswellenlänge λ eingestellt. Dies wird später noch erläutert.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht des Prismenpolarisators von 1 mit einer zusätzlichen Kompensationsplatte 5. Die Kompensationsplatte 5 ist zwischen der Platte 4 und dem zweiten Prisma 3 angesprengt. Die Kompensationsplatte 5 ist vorteilhaft, wenn der Prismenpolarisator mit konvergentem oder divergentem Licht betrieben werden soll, da sich der Strahlversatz, der durch die zweimalige Umlenkung an den Grenzflächen der Platte 4 durch den Brechzahlunterschied zwischen den Prismen 2,3 und dem ordentlichen Strahl von CaCO₃ erzeugt wird, in diesem Fall negativ auswirken kann. Die Kompensationsplatte sollte eine ähnlich hohe Brechzahl haben wie CaCO₃ und besteht im vorliegenden Fall aus optischem Glas, z.B. Schott SF57 mit einer Brechzahl n_K = 1,85504. Die Dicke der Kompensationsplatte 5 ist größer als die Dicke der Platte 4 und liegt bei ca. 322 μm.
3 und 4 zeigen in vier Teilbildern jeweils vier schematische Seitenansichten von Ausführungsformen von Prismenpolarisatoren mit Prismen aus positiv (3) bzw. negativ (4) doppelbrechendem Material. Der Aufbau aller Prismenpolarisatoren ist identisch und wird am obersten Teilbild beispielhaft für alle acht Teilbilder der beiden Figuren beschrieben. Der Prismenpolarisator 100 weist zwei identische Prismen 101, 102 auf, die eine rechtwinklige, gleichseitige Dreiecksflä che als Grundfläche aufweisen und die an den Hypotenusenflächen aneinandergrenzen, so dass der gesamte Prismenpolarisator einen Würfel bildet. Bei den zur Verfügung stehenden Brechzahlen von Prismen und Bedampfungsmaterialien werden die Prismen unter Umständen keine gleichseitigen Dreiecke mehr sein. Zwischen den beiden Hypotenusenflächen ist eine als Polarisationsteilerelement dienende Polarisationsteilerschicht 103 angebracht, die als ein Mehrschichten-System mit alternierenden Schichten realisiert ist. Das Licht wird an dem Mehrschichten-System in einen reflektierten Teilstrahl 120 und einen transmittierten Teilstrahl 121 aufgespalten. Der transmittierte Teilstrahl 121 ist hierbei parallel zur Einfallsebene auf die Polarisationsteilerschicht 103 polarisiert, der reflektierte Teilstrahl 120 senkrecht zur Einfallsebene.
Als positiv doppelbrechendes Material dient bei dem in 3 gezeigten Prismenpolarisator MgF₂, als negativ doppelbrechendes Material in 4 dient CaCO₃. Die jeweils vier Prismenpolarisatoren sowohl von 3 als auch von 4 unterscheiden sich ausschließlich durch Richtung der Kristallachsen des ersten und zweiten Prismas, welche in jedem Fall senkrecht zur Lichteintrittsrichtung in den Prismenpolarisator 100 ausgerichtet sind. Bei jedem Prisma 101, 102 können die Kristallachsen senkrecht (s) oder parallel (p) zur Einfallsebene ausgerichtet sein. Die sich daraus ergebenden Kombinationen s/s, s/p, p/s, p/p für die Orientierung der Kristallachse des ersten/zweiten Prismas 101, 102 sind in den vier Teilbildern von 3 gezeigt. Entsprechend sind in 4 die Kombinationen p/p, p/s, s/p, s/s für negativ doppelbrechendes Material gezeigt. Ein Durchtritt von Strahlung durch die gezeigten Prismenpolarisatoren ohne Strahlversatz ist nur bei den Kombinationen s/s oder p/p möglich, da hier an der Polarisationsteilerschicht 103 keine Brechzahldifferenz zwischen erstem und zweitem Prisma 101, 102 auftritt. Eine Erhaltung des linear polarisierten Charakters des Lichts in den zweiten Prismen 102 von 3 ist bei den Kombinationen möglich, bei denen die Polarisationsrichtung im zweiten Prisma parallel zur Kristallachse steht, also bei den Kombinationen p/s und s/s. Entsprechendes gilt in 4 für eine senkrechte Ausrichtung von Polarisationsrichtung und Kristallachse, d.h. für s/p und p/p. Die Kombinationen s/s bei positiv doppelbrechenden Kristallen und p/p bei negativ doppelbrechenden Kristallen, die in den untersten Teilbildern gezeigt sind, vermeiden einerseits Strahlversatz und andererseits die Zerstörung der linearen Polarisation des transmittierten Teilstrahls. Prinzipiell sind aber alle in 3 und 4 gezeigten Möglichkeiten realisierbar und können gegebenenfalls von Vorteil sein.
5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage. Diese weist ein katadioptrisches Projektionsobjektiv 200 mit einem Prismenpolarisator 201 als physikalischem Polarisationsstrahlteiler sowie ein Beleuchtungssystem 220 mit einem Prismenpolarisator 216 zur Nachpolarisation auf.
Das Beleuchtungssystem 220 weitet einen von einem F₂-Laser 213 (mit einer Arbeitswellenlänge von 157 nm) erzeugten, linear polarisierten Lichtstrahl in einem ersten Teil 214 des Beleuchtungssystems auf, so dass dieser auf einer Zwischenfeldebene 219 eine weitgehend homogene Lichtverteilung mit einer variabel vorgebbaren Winkelverteilung der Strahlen erzeugt. Ein nachfolgendes Abbildungsobjektiv 215 bildet die Zwischenfeldebene 219 auf die Objektebene 202 des Projektionsobjektivs 200 ab. Das Objektiv 215 weist einen Spiegel 217 zur Strahlumlenkung sowie den Prismenpolarisator 216 zur Nachpolarisation auf. Auf dem Lichtweg vom Laser 213 zum Prismenpolarisator 216 kann die lineare Polarisation durch optische Elemente im Strahlengang teilweise zerstört werden. Der Prismenpolarisator 216 dient als Polarisationsfilter zur Wiederherstellung des linear polarisierten Ausgangszustandes des Lichts und besteht aus MgF₂-Prismen mit dazwi schenliegender Polarisationsteilerschicht (vgl. Erläuterung im Zusammenhang mit 3).
Das Projektionsobjektiv 200 dient dazu, ein in der Objektebene 202 angeordnetes Muster eines Retikels oder dergleichen in seine Bildebene 203 in reduziertem Maßstab abzubilden, beispielsweise im Verhältnis 4:1. Die Abbildung kann ohne Zwischenbild oder mit mindestens einem reellen Zwischenbild erfolgen.
Das für eine Arbeitswellenlänge von λ = 157 nm ausgelegte Projektionsobjektiv 200 hat zwischen der Objektebene 202 und der Bildebene 203 einen ersten, katadioptrischen Objektivteil 221 und dahinter einen zweiten, rein dioptrischen Objektivteil, der in 5 nicht näher bildlich dargestellt ist. Der katadioptrische Objektivteil umfasst einen physikalischen Strahlteiler 201, der als Prismenpolarisator nach 3 ausgebildet ist, d.h. aus positiv doppelbrechendem MgF₂ besteht, sowie einen abbildenden Konkavspiegel bzw. Hohlspiegel 205, vor dem eine λ/4-Platte 206 positioniert ist. Die Kristallachsen im Prismenpolarisator sind für beide Prismenhälften gleich orientiert und liegen senkrecht zur Einfallsebene (also hier senkrecht zur Zeichnungsebene). Zwischen der Objektebene 202 und dem Prismenpolarisator 201, zwischen dem Prismenpolarisator 201 und dem Konkavspiegel 205 sowie zwischen dem Konkavspiegel 205 und der Bildebene 203 sind jeweils Linsengruppen angeordnet, die in 5 durch gestrichelt gezeichnete Linsen angedeutet sind. Der zweite Objektivteil hat einen zur optischen Achse geneigten ebenen Umlenkspiegel 210, der es in Verbindung mit der Reflexion an der Strahlteilerfläche 204 ermöglicht, die in der Objektebene angeordnete Maske parallel zu einem in der Bildebene 203 angeordneten lichtempfindlichen Substrat, beispielsweise einem mit einer Fotoresistschicht beschichteten Halbleiterwafer, auszurichten. Dadurch wird ein Scannerbetrieb von Maske und Wafer erleichtert. Es sind auch Ausführungsformen ohne Umlenkspiegel oder Varianten mit mehr als einem Umlenkspiegel möglich.
Charakteristisch für Projektionsobjektive dieses Typs ist der Betrieb mit polarisiertem Ultraviolettlicht (linear polarisiert in den jeweiligen Objektivbereichen), wobei der Polarisationszustand an die Eigenschaften der Strahlteilerschicht 204 angepasst ist. Die polarisationsselektive Strahlteilerschicht 204 soll im wesentlichen eine Polarisationsrichtung durchlassen und die andere blockieren. Die Rollen der Polarisationskomponenten (Komponenten des elektrischen Feldvektors senkrecht bzw. parallel zur jeweiligen Einfallsebene auf eine optische Komponente) vertauschen sich dabei je nachdem, ob die Strahlteilerschicht 204 in Transmission oder in Reflexion genutzt wird. Als Polarisationsteilerschicht 204 kann ein Schichtsystem aus MgF₂/LaF₃ und MgF₂/BaF₂ dienen.
Im Betrieb des Projektionsobjektivs 200 wird linear polarisierte Strahlung von der Objektebene 202 aus in das Projektionsobjektiv eingestrahlt. Die Polarisationsrichtung dieser Strahlung steht senkrecht zur Einfallsebene auf die Strahlteilerfläche 204 (s-Polarisation). Sie trifft senkrecht auf eine Eintrittsfläche 207 eines ersten Prismas 208, so dass eine Brechung an dieser Fläche weitgehend vermieden wird. Im Inneren des Prismas 208 trifft die Strahlung auf die Strahlteilerfläche 204, an der sie um 90° in Richtung auf den Konkavspiegel 205 umgelenkt wird. Das Licht verlässt den Prismenpolarisator 201, durchläuft die λ/4-Platte 206 ein erstes Mal, läuft von dort aus weiter zum Konkavspiegel 205, an dem sie reflektiert wird, so dass sie die λ/4-Platte 206 ein zweites Mal durchläuft. Der zweimalige Durchtritt durch die λ/4-Platte 56 bewirkt eine Phasenverschiebung von λ/2 des elektrischen Feldstärkevektors, so dass dieser um 90° gedreht wird und nun parallel zur Einfallsebene auf die Polarisationsteilerfläche 204 steht (p-Polarisation). Nach erneutem senkrechten Durchtritt durch eine Seitenfläche 211 des ersten Prismas 208 trifft die Strahlung auf die Polarisationsteilerfläche 205 und wird aufgrund der Tatsache, dass sie nun p-polarisiert ist, von dieser transmittiert und tritt in das zweite Prisma 209 des Prismenpolarisators ein, den sie senkrecht zu einer Seitenfläche 212 verlässt. An der Spiegelfläche 210 wird sie ein zweites Mal unter einem Winkel von ca. 90° reflektiert und verläuft weiter in Richtung auf die Bildebene 203.
Durch Wahl der Eintrittspolarisationsrichtung wird festgelegt, ob das Prismenmaterial zuerst mit der isotropen Brechzahl n_o und dann mit der anisotropen Brechzahl n_e durchlaufen wird oder umgekehrt. Die Wirkung der anisotropen Brechzahl n_e solle in jedem Fall anschließend kompensiert werden.
Alle Eintrittsflächen und Austrittsflächen der Linsen und des Polarisationstrahlteilers sind mit mehrlagigen, dielektrischen Antireflex-Interferenzschichtsystemen (AR-Schichten) belegt, um die Transmission des Objektivs zu verbessern. Die Spiegelflächen der Spiegel 205, 210 sind mit hochreflektierenden dielektrischen Reflex-Interferenzschichtsystemen (HR-Schichten) belegt.
Für gewöhnlich wird der Prismenpolarisator in katadioptrischen Projektionsobjektiven für 157 nm aus CaF₂ gefertigt, welches eine intrinsische Doppelbrechung aufweist, die bei 157 nm bei ca. –11 nm/cm liegt. Hierzu kommt, dass durch zusätzliche, unkontrollierbare spannungsinduzierte Doppelbrechung der lineare Polarisationszustand des Lichts zerstört werden kann. Bei rotationssymmetrischen Bauteilen ist durch geschicktes Kombinieren von Kristallorientierungen und Linsenwegen eine Kompensationsmöglichkeit gegeben. Da der Prismenpolarisator des Projektionsobjektivs unter Feldbelastung, d.h. bei hoher numerischer Apertur des auftreffenden Lichts betrieben wird, sind die Kompensationsmöglichkeiten bei dieser Anwendung eingeschränkt. Ein Prismenpolarisator aus kubischem CaF₂ zerstört daher in der Regel selbsttätig die Polarisation in den Prismen durch die intrinsische Doppelbrechung (durch die notwendige Apertur). Die Verwendung von MgF₂ oder SiO₂ als Prismenmaterial hat den Vorteil, dass dieses so stark doppelbrechend ist, dass die Zerstörung eines definierten Polarisationszustandes durch spannungsinduzierte, intrinsische Doppelbrechung praktisch vermieden werden kann. Somit lässt sich der in 5 gezeigte Prismenpolarisator sowohl bei Verspannungen im Kristallmaterial unter hoher thermischer Belastung aufgrund hoher Strahlintensitäten als auch unter großen Feldwinkeln betreiben, ohne dass eine Temperaturdrift auftritt. Bei größeren Wellenlängen, beispielsweise bei 193 nm, ist alternativ oder zusätzlich zu MgF₂ oder SiO₂ als Material für den Prismenpolarisator auch LaF₃ oder Al₂O₃ verwendbar.
Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Hinweise zur praktischen Auslegung erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren angegeben. In optischen Systemen für Beleuchtungszwecke und auch für Abbildungszwecke treten normalerweise in den optischen Materialien thermisch induzierte Spannungen auf, die von Temperaturgefällen innerhalb der optischen Bauelemente verursacht werden. Diese können besonders innerhalb von Beleuchtungssystemen beträchtlich sein. Die maximale Größe der induzierten Spannung wird an der Bruchgrenze des verwendeten Materialien erreicht. Vorher versagen meistens die optischen Kitte, sofern solche vorhanden sind. Die Größenordnung der induzierten Doppelbrechung kann von Bruchteilen einer Wellenlänge λ bis hin zu wenigen λ oder mehreren λ, beispielsweise 10 λ oder darüber reichen. Bei Prismenpolarisatoren aus isotropen Materialien können jedoch je nach Anforderungen schon induzierte Doppelbrechungen in der Größenordnung von (1/100) λ oder (1/1000) λ schädlich für den Polarisationsgrad sein. Dies ist einer der Gründe, warum sich glasartige Prismenmaterialien für höchste Polarisationsgrade nicht durchsetzen, selbst wenn man Quarzglas mit äußerst geringer thermischer Ausdehnung in der Größenordnung von 0,5·10^–6 m/K einsetzt.
Bei besonders hohen Anforderungen kann eine optische Ankopplung über das optische Nahfeld vorgesehen sein (siehe unten). Dabei können Prismen und Platten aus Materialien mit deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten genutzt werden, ohne dass es zu Zwang zwischen den Bauteilen kommt.
Da die natürlich vorkommenden CaCO₃-Kristalle in Ihrer Größe und Reinheit begrenzt sind und das Polarisationsteilerelement bevorzugter Ausführungsformen aus einer Platte dieses Materials besteht, kann es vorteilhaft sein, wenn die Platte aus mindestens zwei aneinander grenzenden Plattensegmenten aufgebaut ist, die sich flächenhaft aneinandergrenzend, zu einer größeren, mehrteiligen Platte ergänzen. Die Plattensegmente sind vorzugsweise gleichartig dick und planparallel, so dass durch diese eine planparallele, mehrteilige Platte mit der Dicke eines Plattensegmentes und mehrfach größerer Flächenausdehnung geschaffen werden kann. Die Aufteilung in Plattensegmente kann auch bei Platten vorgesehen sein, die von einer planparallelen Form abweichen und beispielsweise in Form dünner Keilplatten vorliegen, die für bestimmte Zwecke (z.B. im Bereich der Beleuchtung) ausreichend sein können. 6(a) zeigt hierzu einen Schnitt durch einen quaderförmigen Prismenpolarisator 601 mit zwei Prismen 602, 603, zwischen deren einander zugewandten Hypotenusenflächen eine mehrteilig aufgebaute, dünne, planparallele Platte 604 aus einkristallinem Kalkspat (CaCO₃) liegt, die aus mehreren, direkt aneinander grenzenden Plattensegmenten 604', 604'', 604''' besteht. Die Draufsicht auf eine Hypotenusenseite in 6(b) zeigt, dass die Platten in Breitenrichtung des Prismenpolarisators durchgehend sind und nur die Längsrichtung der Hypotenusenseite in drei unmittelbar aneinander grenzenden Plattensegmente unterteilt ist.
7 zeigt in einer vergrößerten Detailansicht im Schnitt den Stoßbereich zwischen zwei aneinander grenzenden Plattensegmenten 704' und 704''. Dabei ist erkennbar, dass die einzelnen Plattensegmente in dem zum Kontakt mit einem benachbarten Plattensegment vorgesehenen Stoßbereich schräg zur Plattenfläche geschnitten sind, so dass die Plattensegmente im Bereich der Stoßflächen in einer Richtung senkrecht zur gemeinsamen Plattenfläche einander teilweise überlappen. Im Beispielsfall sind die komplementären Stoßflächen 705', 705'' senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung (Pfeilsymbole) ausgerichtet, so dass ein nahezu senkrechter Durchgang der Strahlung durch die Stoßflächen erreicht wird. Wird im Stoßbereich zwischen den Stoßflächen 705', 705'' ein optischer Kitt verwendet, so kann ein praktisch störungsfreier optischer Durchgang realisiert werden, wenn die Brechzahl des Kitts möglichst exakt derjenigen der ordentlichen Brechzahl n_o des stark doppelbrechenden Kristallmaterials entspricht, wobei für eine Brechzahldifferenz vorzugsweise Δn ≤ 1·10^–4 gilt. Durch den nahezu senkrechten Durchgang durch die Stoßflächen werden die Störbereiche A und B an den gegenüber liegenden spitzen Kanten der Plattensegmente auf kleine Randbereiche zurückgedrängt. Dies ist insbesondere für Prismenpolarisatoren mit einem größeren Winkeleinfangsbereich vorteilhaft.
Sind die Ergänzungen nicht nur in Längserstreckung der Hypotenusenfläche, sondern auch senkrecht dazu notwendig, dann sollten die Stoßflächen nicht senkrecht zur Plattenebene liegen, sondern beispielsweise unter 45° oder einem anderen geeigneten Schrägungswinkel zu dieser Plattenfläche. Dadurch wird erreicht, dass trotz der Segmentierung und der dadurch entstehenden Stoßbereiche praktisch kein unpolarisiertes Licht durch den Prismenpolarisator gelangen kann. 8 zeigt hierzu beispielhaft zwei Schnittdarstellungen mit einer Schnittlinie senkrecht zur langen Hypotenusenrichtung bei einer Ausführungsform, bei der (im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 6(b)) die mehrteilige Polarisationsteilerplatte auch quer zur Längsrichtung der Hypotenusen seite unterteilt ist. In 8(a) ist eine Variante gezeigt, bei der im Stoßbereich zwischen nebeneinander liegenden Plattensegmenten optischer Kitt 810 eingefügt ist. Bei der Ausführungsform gemäß 8(b) stehen die nebeneinander liegenden Plattensegmente 804, 804' im Bereich der schrägen Stoßflächen im direktem optischen Kontakt.
Im Rahmen der Erfindung sind unterschiedlichste Anwendungen und Materialkombinationen von Polarisationsteilerelementen und Prismen möglich und haben spezifische Vorteile. In Verbindung mit einer CaCO₃-Platte als Polarisationsteilerelement können als Prismenmaterialien vor allem Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Siliziumdioxid (SiO₂) verwendet werden. Siliziumdioxid ist aufgrund seiner Verfügbarkeit und seines moderaten Preises ein vorteilhaftes Prismenmaterial. Die polarisierende Wirkung findet stets auf der Lichteintrittsseite der doppelbrechende Platte statt, auf der Austrittsseitige findet allenfalls eine rückbrechende Wirkung mit entsprechender Fresnellscher Wirkung statt. Die Wirkung der Kompensationsplatte entspricht im übertragenen Sinne der Wirkung einer schräg gestellten Planparallelplatte in Luft oder eines schräg gestellten Luftspaltes in Glas oder einem anderen transparenten Material. Für einen parallelen Strahldurchgang wird eine Kompensationsplatte nicht benötigt, für einen konvergenten oder divergenten Strahlengang erzeugt sie Astigmatismus-Überkorrektur oder -Unterkorrektur, je nachdem, welche Wechselwirkung benötigt wird. Die Kompensationsplatte wird bevorzugt aus einem leicht doppelbrechenden Material gefertigt, so dass sie selbst keine depolarisierende Wirkung entfalten kann. Besonders günstig ist es hier, wenn die Brechzahldifferenz zwischen dem Prismenmaterial und dem Material des Polarisationsteilerelementes möglichst klein ist, idealerweise sollte die Brechzahldifferenz gleich Null sein. Praktisch ist man jedoch auf die Brechzahlen verfügbarer Materialien angewiesen, und die können deutlich voneinander abweichen. Liegt eine Brechzahldifferenz zwischen Prismenmaterial und Material der Polarisationsteilerplatte vor, so ist es günstig, die Material kombination so zu wählen, dass die Brechzahl n_P des Prismas größer als die Brechzahl n_T der aktiven Polarisationsteilerplatte ist, da in diesem Fall das Polarisationsteilerelement weniger schräg in den Strahlengang eingebaut werden muss und dementsprechend kleiner ausgelegt werden kann.
In 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines Prismenpolarisators 901 gezeigt, bei dem diese Überlegungen berücksichtigt sind. Das eintrittsseitige Prisma 902 und das austrittsseitige Prisma 903 bestehen jeweils aus Al₂O₃. Das aktive Polarisationsteilerelement 904 ist eine planparallele Platte aus CaCO₃. Direkt an diese angrenzend ist an ihrer Eintrittsseite eine planparallele Kompensationsplatte 905 aus Pokelsglas (z.B. Schott SF57) als Kompensationsplatte angebracht. Diese Ausführungsform ist für einen geraden Lichtdurchtritt durch den Polarisator ausgelegt, bei dem die Eintrittsstrahlung im Wesentlichen senkrecht auf die ebene Eintrittsfläche des eintrittsseitigen Prismas 902 auftrifft. Das Pokelsglas begrenzt allerdings den Transmissionsbereich auf ca. 380 nm bis 2300 nm.
Für schrägen Durchtritt von Licht sollte die Kompensation für unterschiedliche Winkel ausgeführt werden und es bleibt ein unkompensierbarer Fehler übrig. Als Kompensationsmöglichkeiten hierfür bleiben (1) die Brechzahl der Kompensationsplatte, (2) die Dicke der Kompensationsplatte und (3) der Winkel, den die Kompensationsplatte mit der Durchstrahlungsrichtung einnimmt. Anhand 10 wird beispielhaft dargestellt, dass die Kompensationsplatte nicht notwendigerweise parallel zur Polarisationsteilerplatte ausgerichtet sein muss. In diesem Fall besteht der insgesamt quaderförmige Prismenpolarisator 1001 aus drei Prismen 1002, 1010 und 1003, die jeweils einander zugewandte, parallele ebene Grenzflächen haben. Zwischen den einander zugewandten Grenzflächen des ersten Prismas 1002 und des zweiten Prismas 1010 ist die Kompensationsplatte 1005 in einem relativ steilen Winkel von beispielsweise 25° zur Lichtrichtung (Pfeil) ausgerichtet. Zwischen der Austrittsfläche des zweiten Prismas 1010 und der Eintrittsfläche des austrittsseitigen Prismas 1003 liegt die planparallele Polarisationsteilerplatte 1004, die um ca. 60° gegenüber der Lichtdurchtrittsrichtung angeschrägt ist. Vorzugsweise steht die Kompensationsplatte auf derjenigen Seite der Polarisationsteilerplatte, an der geringe Depolarisierungen nicht stören.
Für das in 10 gezeigte Beispiel wird im Folgenden beispielhaft eine Dimensionierungsrechnung für die Wellenlänge λ = 546,071 nm durchgeführt. Hierbei gelten folgende Brechzahlen:
Für die Grenzwinkel ε' der Totalreflexion gilt:
Hier ist ε' der Winkel eines Strahls zum Lot auf die Ein- oder Austrittsfläche. Der Prismenwinkel wird zur Prismenmantelfläche angegeben und ist daher 90° – ε'. Ein gewählter Prismenwinkel von 26,5° ergibt für den in 10 gezeigten Schnitt einen Winkelbereich des Prismenpolarisators in Luft von etwa ±11 °.
Im Folgenden wird eine Berechnung der Dicke der Kompensationsplatte optimiert für 0° Durchgang des Polarisators in Luft angegeben. Hierfür werden die obigen Brechzahlen der Polarisationsteilerplatte (n = 1,66165) und der Kompensationsplatte (n = 1,85504) zugrunde gelegt. Das Optimierungsziel ist es, einen Strahlversatz zwischen Eintrittsstrahl und Austrittsstrahl zu vermeiden. Der Strahlversatz ergibt sich aus der Summe des an der Polarisationsteilerplatte auftretenden Strahlversatzes Δ_T und des an der Kompensationsplatte auftretenden Strahlversatzes Δ_K gemäß Δ = Δ_T + Δ_K. Hierbei gelten folgende Beziehungen:
In diesen Gleichungen bezeichnet ε' den Winkel zum Lot, d.h. zur Flächennormalen (hier 63,5°), n₁ die ordentliche Brechzahl n_o von Al₂O₃, n₂ die ordentliche Brechzahl von CaCO₃ und n₃ die Brechzahl n von SF57. Als Dicke d_T der Polarisationsteilerplatte wird 1 mm angesetzt. Gesucht ist die Dicke d_K der Kompensationsplatte aus SF57. Bei d_P = 1 mm für die Polarisationsteilerplatte ergibt sich ein Strahlversatz Δ_P = -0,5201 mm. Ein kompensierender Strahlversatz Δ_K = +0,5201 mm für die Kompensationsplatte wird mit einer Dicke d_K = 3,218 mm erreicht. Daher wird ein Strahlversatz vermieden, wenn die Kompensationsplatte aus dem Pokelglas SF57 eine Dicke von 3,218 mm hat.
Zu beachten ist ebenso, dass das bezüglich des Lichtdurchtrittes vor der Polarisationsteilerplatte liegende Prisma aus einem brechzahlangepassten Glas oder aus einem isotropen Kristall bestehen kann. Entscheidend für die perfekte Polarisierung und den erreichten Polarisierungsgrad ist vor allem eine defektfreie Polarisationsteilerplatte, die beispielsweise aus Kalkspat (CaCO₃) oder Natriumnitrat (NaNO₃) bestehen kann, sowie ein defektfreies, leicht doppelbrechendes austrittsseitiges Prisma. Eine reine Ansprengung (wringing) ist hier einer Kittung unter anderem deshalb vorzuziehen, weil sich ein höherer Polarisationsgrad erreichen lässt, weil Spannungen im Kitt vermeidbar sind und weil eine Ansprengung eine bessere Durchlässigkeit vom Ultraviolettbereich bis zum Infrarotbereich zeigt. Für besonders hohe Ansprüche wird ein Gegenüberstellen der Bauteile im optischen Nahfeld durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den optischen Flächen vorzugsweise auf Werte > λ/10 eingestellt wird.
In 11 ist beispielhaft eine Anwendung gezeigt, bei der zwei Ausführungsformen erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren in Form eines Polarisator-Analysator-Paares 1100 kombiniert sind. Es besteht aus zwei identisch aufgebauten Prismenpolarisatoren 1110, 1120, die bezogen auf die Lichteinfallsruchtung 1130 hintereinander angeordnet und relativ zueinander verdreht sind. Der eintrittsseitige Polarisator hat auf der Eintrittsseite ein Prisma 1112 aus stark doppelbrechendem Material, beispielsweise Glas, und austrittsseitig ein Prisma 1113 aus einem gering doppelbrechendem Kristallmaterial. Zwischen den einander zugewandten Hypotenusenflächen dieser Prismen ist die Polarisationsteilerplatte 1114 so angeordnet, dass die Plattennormale 1119 mit der Lichteintrittsrichtung 1130 eine Einfallsebene aufspannt, die parallel zu den in der Zeichnung vorne und hinten liegenden Seitenflächen des Prismas ausgerichtet ist. Der Analysator 1120 ist zwar gleich aufgebaut, jedoch anders orientiert. Hier liegt das aus gering doppelbrechendem Kristallmaterial bestehende Prisma 1123 an der Eintrittsseite, während das Prisma 1122 aus stark doppelbrechendem Material (z.B. Glas) auf der Austrittsseite liegt. Das plattenförmige Polarisationsteilerelement 1124 ist gegenüber der Polarisationsteilerplatte 1114 des Polarisators 1110 um 90° um die Lichtdurchtrittsrichtung verdreht, so dass die Plattennormale 1129 mit der Lichtdurchtrittsrichtung eine Einfallsebene aufspannt, die senkrecht zu den in der Zeichnungsfigur vorne und hinten liegenden Seitenflächen des Prismenpolarisators liegt. Die Funktion solcher Polarisator-Analysator-Paare als solche ist bekannt und wird daher hier nicht näher beschrieben.
In 12 ist schematisch eine Ausführungsform eines Prismenpolarisators 1200 gezeigt, der für besonders hohe Ansprüche bezüglich Strahlqualität für geöffnete Büschel (d.h. konvergentes oder divergentes Eintrittslicht) ausgelegt ist. Der Prismenpolarisator hat ein mehrteilig aufgebautes eintrittsseitiges Prisma, das aus einem vorderen Prismenelement 1202 und einem hinteren Prismenelement 1202' besteht, zwischen denen eine schräg zur Durchstrahlungsrichtung 1230 ausgerichtet Kompensationsplatte 1205 angeordnet ist. Zwischen einer schrägen Austrittsfläche des eintrittsseitigen Prismas 1202, 1202' und dem austrittsseitigen Prisma 1203 ist die aktive Polarisationsteilerplatte 1204, also das plattenförmige Polarisationsteilerelement, ebenfalls schräg zur Durchstrahlungsrichtung angeordnet. Eine Besonderheit dieses Aufbaus besteht darin, dass die Kompensationsplatte 1205 entgegen der Winkellage des Polarisationsteilerelementes 1204 gegenüber der Durchstrahlungsrichtung gekippt ist. Mit anderen Worten: bezogen auf eine senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung 1230 ausgerichtete Ebene sind die Kompensationsplatte und die Polarisationsteilerplatte in unterschiedliche Richtungen verkippt. Bei hinreichender Brechzahlanpassung und Richtungsanpassung (Anpassung der Plattenwinkel gegenüber der Durchstrahlungsrichtung) kann in der Einfallsebene des durchtretenden Lichtes (parallel zur Zeichenebene) eine vollständige Bildfehlerkompensation erreicht werden.
Als Material für das eintrittsseitige Prisma 1202, 1202' kann als leicht doppelbrechendes Material beispielsweise Al₂O₃ oder das Glas SF55 sowie SiO₂ oder das Glas BAK2 verwendet werden. Als leicht doppelbrechendes Prismenmaterial für das austrittsseitige Prisma 1203 sind ebenfalls beispielsweise Al₂O₃ oder SiO₂ verwendbar. Die Kompensationsplatte 1205 kann beispielsweise aus BaSF56 oder SK5 bestehen, das Polarisationsteilerelement 1204 insbesondere aus CaCO₃ oder NaNO₃. Für eine Arbeitswellenlänge λ = 546,071 nm ergeben sich für diese Materialien folgende Brechzahlen: n_BAK2 = 1,54212, n_SF55 = 1,76847, n_BASF56 = 1,66139 und n_SK5 = 1,59142. Das Material BAK2 ist bevorzugt, wenn das Prisma aus SiO₂ besteht, das Material SF55 ist bevorzugt, wenn das Prisma aus Al₂O₃ besteht, das Material BaSF56 ist bevorzugt, wenn das Polarisationsteilerelement aus CaCO₃ besteht und das Material SK5 ist bevorzugt, wenn das Polarisationsteilerelement aus NaNO₃ besteht.
Für die gleiche Wellenlänge (λ = 546,071 nm) gelten für die hier betrachteten doppelbrechenden Materialien folgende Brechzahlen:
Hieraus ergeben sich folgende geeignete Paarungen für Prismenmaterial und Polarisationsteilerplatte für den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes und des angrenzenden UV-Bereiches.
Hieraus ergibt sich eine besonders gute Anpassung dann, wenn das Prisma aus SiO₂ und das Polarisationsteilerelement aus NaNO₃ besteht. Es sei noch erwähnt, dass je nach Spektralbereich aufgrund der Dispersion die relativen Verhältnisse geeigneter Paare variieren können, so dass sich für andere Designwellenlängen andere Materialpaarungen als die günstigsten herausstellen können.
Wie schon oben erwähnt, kann als Material für die Prismen auch das doppelbrechende Magnesiumfluorid (MgF₂) verwendet werden. Das Hauptanwendungsgebiet für Magnesiumfluorid kann das tiefe Ultraviolett (DUV) sein, da Magnesiumfluorid bis hinunter zu ca. 115 nm gute Transmission zeigt. Schon ab 157 nm und erst recht bei 193 nm kann man auf das deutlich billigere SiO₂ mit höherer Brechzahl zurückgreifen, dies ergibt dann einen kürzeren Prismenaufbau. SiO₂ kann für Prismenpolarisatoren im Spektralbereich von ca. 160 nm bis ca. 4 μm eingesetzt werden. Ist eine noch höhere Brechzahl für das Prismenmaterial gewünscht, so kann auf Al₂O₃ oder LaF₃ zurückgegriffen werden, die schon bei 193 nm ausreichend transparent sind. Im Infrarotbereich reicht das doppelbrechende Kristallmaterial Lanthanfluorid (LaF₂) weiter als Al₂O₃. Sein Transmissionsbereich reicht bis ca. 9 μm (Al₂O₃ nur bis ca. 4,5 μm). Noch weiter in das Infrarote reicht der doppelbrechende Kristall Kadmiumsulfit (CdS), dessen Transmissionsbereich von ca. 500 nm bis ca. 15 μm reicht.
Sofern Magnesiumfluorid als Prismenmaterial verwendet werden soll, so ist zu beachten, dass hierfür keine geeigneten Festkörpermaterialien für die Herstellung des Polarisationsteilerelements zur Verfügung stehen. In Verbindung mit Magnesiumfluorid-Prismen werden bei bevorzugten Ausführungsformen daher Polarisationsteilerelemente verwendet, die durch Schichtpakete von dünnen, dielektrischen Schichten gebildet werden. Dabei handelt es sich jeweils um dielektrische Schichtpakete, bei denen abwechselnd Einzelschichten aus einem hochbrechenden dielektrischen Material und einem relativ dazu niedrigbrechenden dielektrischen Material übereinander geschichtet werden. Die dielektrischen Wechselschichtsysteme sind vorzugsweise als λ/4-Schichtsysteme ausgelegt, d.h. als Schichtsysteme, bei denen die optischen Schichtdicken der übereinander liegenden Einzelschichten jeweils im Wesentlichen einem Viertel der Designwellenlänge entspricht. Im tiefen Ultraviolettbereich (DUV) wird innerhalb eines Wechselschichtsystems vorzugsweise Magnesiumfluorid als niedrigbrechendes Material und Lanthanfluorid, Bariumfluorid oder Saphir als hochbrechendes dielektrisches Material verwendet. Im nahen Ultraviolettbereich werden für die Kombination mit Magnesiumfluorid als niedrigbrechendes Material vor allem Hafniumdioxid oder Zirkondioxid verwendet. Im sichtbaren Spektralbereich (VIS) werden bevorzugt Magnesiumfluorid oder Chiolith als niedrigbrechendes Material und Zinksulfit oder Titandioxid als relativ dazu hochbrechendes Material verwendet. Im Infrarotbereich (IR) kann insbesondere Thoriumfluorid (ThF₄) als niedrigbrechendes und Zinkselenid als hochbrechendes Material verwendet werden.
Die folgende Tabelle gibt für eine Designwellenlänge von λ = 589 nm verschiedene geeignete niedrigbrechende bzw. hochbrechende dielektrische Materialien und deren Brechzahl an.
Im Folgenden werden einige Ausführungsformen beschrieben, bei denen die optische Ankopplung zwischen benachbarten optischen Elementen des Prismenpolarisators über eine Immersionsflüssigkeit bzw. ein optisches Nahfeld erfolgt. Solche Lösungen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der benachbarten optischen Elemente (Prismen und/oder Platten) stark unterschiedlich sind und/oder wenn sehr hohe Anforderungen an die Konstanz der optischen Eigenschaften des Prismenpolarisators bei wechselnden Temperaturen gestellt werden.
13 zeigt eine Ausführungsform eines Prismenpolarisators 1300, bei dem das eintrittsseitige Prisma 1301 und das austrittsseitige Prisma 1302 jeweils aus Lanthanfluorid (LaF₃) bestehen. Die als Polarisationsteilerelement dienende, schräg im Strahlengang stehende planparallele Platte 1304 besteht aus Kalkspat (CaCO₃). Zwischen der austrittsseitigen Hypotenusefläche des eintrittsseitigen Prismas 1301 und der eintrittsseitigen Planfläche der Planplatte 1304 existiert ein Spalt 1320 gleichmäßiger Spaltbreite. Desgleichen existiert zwischen der austrittsseitigen Planfläche der Platte 1304 und der eintrittsseitigen Hypotenusefläche des austrittsseitigen Prismas 1302 ein gleichförmig dicker Spalt 1330, so dass die jeweils an die Spalte angrenzenden Grenzflächen der optischen Elemente nicht in mechanischem Kontakt stehen. Die Spaltbreite, die im Beispielsfall in der Größenordnung von ca. 50 μm bis 200 μm liegt, wird durch Abstandhalter 1310 gewährleistet, die außerhalb des optisch genutzten Bereiches des Prismenpolarisators zwischen der einander zugewandten Grenzflächen der optischen Elemente eingefügt sind. Die Abstandhalter werden durch dünne Fasern geeigneter Dicke gebildet. Die Spalten 1320, 1330 sind jeweils mit einer Immersionsflüssigkeit z.B. Perhydrofluoren gefüllt, deren Brechungsindex möglichst an die obere Brechzahl der stark doppelbrechenden Kalkspat-Platte 1304 angepasst ist. Durch die Immersionsschichten findet ein verlustarmer Durchtritt von Strahlung statt. Gleichzeitig erlaubt die Anordnung, dass der Prismenpolarisator 1300 bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben wird, ohne dass es durch die Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Plattenmaterials und des Prismenmaterials zu mechanischen Spannungen im Bereich der Grenzflächen kommt. Dadurch werden thermisch bedingte Wellenfrontdeformationen vermieden.
Bei der Ausführungsform eines Prismenpolarisators 1400 in 14 findet die Überkopplung von Licht zwischen dem eintrittsseitigen Prisma 1401 und der Polarisationsteilerplatte 1404 sowie zwischen dieser Platte und dem austrittsseitigen Prisma 1402 im optischen Nahfeld statt. Hierzu existieren zwischen der austrittsseitigen Hypotenusenfläche des eintrittsseitigen Prismas 1401 und der Platte 1404 sowie zwischen der ebenen Austrittsseite der Platte und der eintrittsseitigen Hypotenusenfläche des austrittsseitigen Prismas 1402 dünne, gasgefüllte Spalte 1420, 1430, deren gleichmäßige Spaltbreite weniger als 10% der Arbeitswellenlänge des Prismenpolarisators beträgt. Im Beispielsfall eines für sichtbares Licht ausgelegten Prismenpolarisators, bei dem die Prismen 1401 und 1402 aus Lanthanfluorid und die Platte 1404 aus CaCO₃ bestehen, beträgt die Spaltbreite weniger als ca. 30 nm.
Als Abstandhalter 1410 zur Aufrechterhaltung dieses sehr geringen Abstandes sind stegförmige Beschichtungen vorgesehen, die jeweils in Form eines umlaufenden, rechteckförmigen Ringes am Rande der Hypotenusenflächen der Prismen 1401, 1402 durch Aufdampfen aufgebracht wurden (vgl. 15). Zwischen die durch Bedampfen erzeugten Abstandhalterringe wird die Platte 1404 beim Zusammenbau des Prismenpolarisators eingefügt. Die beim Zusammenbau aufeinander gedrückten optischen Elemente 1401, 1404, 1402 des Prismenpolarisators sind innerhalb einer metallischen oder keramischen Fassungsanordnung 1420 angeordnet, die an einer Seite Federelemente 1421 hat, die ein axiales Zusammenpressen der optischen Elemente im eingebauten Zustand mit einer durch die Federkraft vorgebbaren Kraft bewirken.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Beschichtung oder den in 13 gezeigten Fasern können auch Abstandsfolien oder dergleichen zur Einstellung der gewünschten Spaltbreite genutzt werden. Die Abstandhalterbeschichtung kann selbstverständlich auch an einer oder beiden Grenzflächen einer zwischen Prismen gehaltenen Platte durch Bedampfen oder dergleichen aufgebracht sein, wie es in 15 für den durch Beschichtung erzeugten Abstandhalterring 1510 auf der Platte 1504 gezeigt ist.
Auch bei der hier beispielhaft erläuterten Ankopplung über das optische Nahfeld können für die Prismen und die Platte Materialien mit stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, ohne dass dies im Betrieb des Prismenpolarisators bei Temperaturänderungen zum Aufbau von die optische Funktion störenden Spannungen führt. Durch diese Maßnahme ist das Spektrum verfügbarer Materialien zum Aufbau erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren erheblich erweitert. Selbstverständlich können die Immersionsflüssigkeit oder Gas gefüllte Spalten auch zwischen aneinander grenzenden Plattenelementen (vgl. 9) oder zwischen direkt benachbarten Grenzflächen von Prismen ohne zwischengeschaltete Platte (vgl. 3–5) vorgesehen sein.

Claims

Prismenpolarisator mit einem zwischen einem ersten und zweiten Prisma angebrachten Polarisationsteilerelement, welches zur Transmission von Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung und zur Reflexion von Licht mit einer zweiten Polarisationsrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Prisma aus einem synthetisch herstellbaren, optisch einachsigen doppelbrechenden Material besteht, dessen doppelbrechende Eigenschaften im Wellenlängenbereich des Lichts im Wesentlichen von spannungsinduzierter Doppelbrechung unabhängig sind.
Prismenpolarisator nach Anspruch 1, bei dem das erste und/oder das zweite Prisma aus einem doppelbrechenden Material mit einer Brechzahldifferenz im Wellenlängenbereich des Lichts von 0,0005 < |Δn_P| = |n_Po – n_Pe| < 0,01 und das Polarisationsteilerelement aus einem doppelbrechenden Material mit einer Brechzahldifferenz |Δn_T| = |n_To – n_Te| > 0,1 im Wellenlängenbereich des Lichts besteht.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das doppelbrechende Material des Polarisationsteilerelementes ausgewählt ist aus der Gruppe: Magnesit (MgCO₃), Dolomit (CaMg[CO₃]₂), Rhodochrosit (MnCO₃), Kalzit (CaCO₃), Smithsonit (ZnCO₃), Salpeter (NaNO₃), Kaliumcyanat (KCNO), Eitelit (MgNa₂[CO₃]₂), Kaliummagnesiumcarbonat (MgK₂[COs]₂), Chloromagnesit (MgCl₂), RbClO₃, Buttschlitt (Ca₂K₆[CO₃]₅·6H₂O), SrCl₂·6H₂O, Lithiumnitrat (LiNO₃), LiO₃, Norsethit (BaMg[CO₃]₂), Kordylit ((Ce,La)₂Ba[(CO₃)F₂]), Ba(NO₂)₂·H₂O, Al₂O₃·MgO, Mangandolomit (MnCa[CO₃]₂), Eisenspat (FeCO₃), [PdCl₄](NH₄)₂.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Polarisationsteilerelement aus einer Platte aus CaCO₃ oder aus NaNO₃ besteht.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Polarisationsteilerelement eine Platte ist, die aus mindestens zwei aneinander grenzenden Plattensegmenten aufgebaut ist, die sich flächenhaft aneinander grenzend zu einer größeren, mehrteiligen Platte ergänzen, wobei vorzugsweise die Plattensegmente in einem zum Kontakt mit einem benachbarten Plattensegment vorgesehenen Stoßbereich schräg zur Plattenfläche derart ausgerichtet sind, dass die Plattensegmente im Bereich der Stoßflächen in einer Richtung senkrecht zu einer gemeinsamen Plattenfläche einander teilweise überlappen.
Prismenpolarisator nach Anspruch 5, bei dem komplementäre Stoßflächen von benachbarten Plattensegmenten im Wesentlichen senkrecht zu einer für den Prismenpolarisator vorgesehenen Durchstrahlungsrichtung ausgerichtet sind.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem dem Polarisationsteilerelement eine Kompensationsplatte zur Korrektur des Strahlversatzes zugeordnet ist.
Prismenpolarisator nach Anspruch 7, bei dem das Polarisationsteilerelement eine Polarisationsteilerplatte aus einem doppelbrechenden Material ist und die Kompensationsplatte parallel zur Polarisationsteilerplatte ausgerichtet ist.
Prismenpolarisator nach Anspruch 7, bei dem das Polarisationsteilerelement eine Polarisationsteilerplatte aus doppelbrechendem Material ist und die Kompensationsplatte in einem Winkel zur Polarisationsteilerplatte angestellt ist.
Prismenpolarisator nach Anspruch 9, bei der die Kompensationsplatte entgegen der Winkellage der Polarisationsteilerplatte gegenüber der Durchstrahlungsrichtung gekippt ist.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Polarisationsteilerelement eine Polarisationsteilerplatte aus doppelbrechendem Material ist und zwischen dem doppelbrechenden Material der Polarisationsteilerplatte und dem Prismenmaterial eine Brechzahldifferenz besteht, wobei die Brechzahl des Prismas größer als die Brechzahl der Polarisationsteilerplatte ist.
Prismenpolarisator nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem das Polarisationsteilerelement aus CaCO₃ oder aus NaNO₃ besteht und bei dem die Kompensationsplatte aus einem Glasmaterial besteht.
Prismenpolarisator nach einem der Anspruch 12, bei dem das Glasmaterial ein Pokelsglas ist.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste und das zweite Prisma aus Al₂Os oder SiO₂ oder LaF₃ besteht.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der für einen Spektralbereich des Lichts von 200 nm bis 3,3 μm oder einen Teilbereich aus diesem Spektralbereich ausgelegt ist.
Prismenpolarisator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 7 bis 15, bei dem das Polarisationsteilerelement ein Mehrlagen-Schichtsystem umfasst.
Prismenpolarisator nach Anspruch 16, bei dem das Mehrlagen-Schichtsystem alternierende Schichten von MgF₂/LaF₃ und/oder MgF₂/BaF₂ und/oder MgF₂/Al₂O₃ aufweist.
Prismenpolarisator nach Anspruch 16 oder 17, bei dem das erste und/oder das zweite Prisma aus MgF₂ oder SiO₂ oder LaF₃ besteht.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Prisma und/oder das zweite Prisma aus einem Prismenmaterial besteht, das aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Akermanit (Ca₂MgSi₂O₇), Gehlenit (Ca₂Al₂SiO₇), Beryll (Be₃Al₂(SiO₃)₆), Fluorapatit (Cas(PO₄)₃(F) ), Berylliumoxid (BeO), Cerfluorid (CeF₃), Neodymfluorid (NdF₃), Praseodymfluorid, Saphir (Al₂O₃), Lathanfluorid, Phenakit, AlPO₄.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kristallachsen des ersten und zweiten Prismas parallel orientiert sind.
Prismenpolarisator nach Anspruch 20, bei dem das erste und das zweite Prisma aus positiv doppelbrechendem Material bestehen, dessen Kristallachsen parallel zu einer Licht-Einfallsebene des Polarisationsteilerelements orientiert sind oder bei dem das erste und das zweite Prisma aus negativ doppelbrechendem Material bestehen, dessen Kristallachsen senkrecht zu einer Licht-Einfallsebene des Polarisationsteilerelements orientiert sind.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wellenlänge des Lichts im UV-Bereich zwischen 100 nm und 300 nm, vorzugsweise zwischen 150 und 200 nm, insbesondere bei ca. 157 nm liegt.
Prismenpolarisator nach Anspruch 22, bei dem das erste Prisma aus SiO₂ oder Al₂O₃ besteht, das zweite Prisma aus SiO₂ oder Al₂O₃ besteht, und das Polarisationsteilerelement aus CaCO₃ oder NaNO₃ besteht.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 21, bei dem die Wellenlänge des Lichtes im sichtbaren Bereich (VIS) liegt.
Prismenpolarisator nach Anspruch 24, bei dem das erste Prisma aus SiO₂ oder Al₂O₃ besteht, das zweite Prisma aus SiO₂ oder Al₂O₃ besteht, und das Polarisationsteilerelement aus CaCO₃ oder NaNO₃ besteht.
Prismenpolarisator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem die Wellenlänge des Lichtes im Infrarotbereich (IR-Bereich) zwischen 700 nm und 15 μm liegt.
Prismenpolarisator nach Anspruch 22, bei dem das erste Prisma aus LaF₃ besteht, das zweite Prisma aus LaF₃ besteht, und das Polarisationsteilerelement aus NaNO₃ besteht.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in mindestens einem Übergangsbereich zwischen einer ersten Grenzfläche eines ersten optischen Elementes des Prismenpolarisators und einer der ersten Grenzfläche zugewandten zweiten Grenzfläche eines benachbarten zweiten optischen Elementes des Prismenpolarisators ein Spalt (1320, 1330, 1420, 1430) mit endlicher Spaltbreite besteht.
Prismenpolarisator nach Anspruch 28, bei dem der Spalt mit einem Immersionsfluid (1350) gefüllt ist.
Prismenpolarisator nach Anspruch 28 oder 29, bei dem der Spalt (1420, 1430) eine Spaltbreite hat, die ein Überkoppeln von Strahlungsenergie zwischen der ersten optischen Grenzfläche und der zweiten optischen Grenzfläche über ein optisches Nahfeld erlaubt.
Prismenpolarisator nach Anspruch 30, bei dem die Spaltbreite weniger als 10% einer Arbeitswellenlänge des Prismenpolarisators beträgt.
Prismenpolarisator nach einem der Ansprüche 28 bis 31, bei dem das erste optische Element ein Prisma und das zweite optische Element eine Planplatte ist.
Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein erstes optisches Element des Prismenpolarisators und ein benachbartes zweites optisches Element des Prismenpolarisators an zugewandten Grenzflächen miteinander verkittet oder aneinander angesprengt sind und das erste und das zweite optische Element aus doppelbrechendem Material mit anisotroper thermischer Ausdehnung bestehen und derart zueinander ausgerichtet sind, dass Richtungen kleinster thermischer Ausdehnungen des ersten und des zweiten optischen Elementes im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv, bei dem die Projektionsbelichtungsanlage mindestens einen Prismenpolarisator nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 34, bei dem das Projektionsobjektiv ein katadioptrisches Projektionsobjektiv ist, welches den Prismenpolarisator als physikalischen Strahlteiler umfasst.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 34 oder 35, bei dem der Prismenpolarisator in einem Objektiv des Beleuchtungssystems angeordnet ist.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 35 oder 36, bei dem das erste und das zweite Prisma des Prismenpolarisators aus MgF₂ bestehen.
Polarisator-Analysator-Anordnung (1100), insbesondere für die Verwendung in einem optischen Messsystem, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Prismenpolarisator nach einem der Ansprüche 1 bis 33 enthält.