DE102007005791B4

DE102007005791B4 - Diffraktiver Strahlteiler

Info

Publication number: DE102007005791B4
Application number: DE102007005791.3A
Authority: DE
Inventors: Mario Längle
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2027-02-07
Also published as: DE102007005791A1

Abstract

Diffraktiver Strahlteiler für optische Systeme in Form eines diffraktiv optischen Strahlformungselementes (DOE), welches in einem Beleuchtungssystem zur Aufteilung eines zugeführten kohärenten Eingangsstrahlenbündels in mehrere Teilstrahlenbündel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass strahleingangsseitig vor einem diffraktiv optischen Element (1) eine Keilplatte (2) vorgesehen ist, wobei dem diffraktiv optischen Element (1) im Strahlengang ein optisches System (5) nachgeordnet ist, um bei einer gemeinsamen Rotation des diffraktiv optischen Elementes (1) und der Keilplatte (2) Speckle zu mitteln und in einem Fernfeld (8) designbedingt die gewünschte Intensitätsverteilung zu erzeugen, wobei sich das Fernfeld (8) um eine optische Achse (9) dreht, und wobei eine 0. Ordnung (4) von Nutzordnungen (3) getrennt ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen diffraktiven Strahlteiler für optische Systeme in Form eines diffraktiv optischen Strahlformungselementes (DOE), welches in einem Beleuchtungssystem zur Aufteilung eines zugeführten kohärenten Eingangsstrahlenbündels in mehrere Teilstrahlenbündel vorgesehen ist, um bei der Rotation des Strahlformungselementes die Speckle zu mitteln und im Fernfeld designbedingt die gewünschte Intensitätsverteilung zu erzeugen, wobei der diffraktive Strahlteiler insbesondere bei Mikroskopen, mit denen in der Halbleiterfertigung Masken inspiziert werden, oder bei der Waferinspektion, sowie bei Laserprojektoren Anwendung findet.
Der Einsatz von diffraktiv optischen Elementen für Strahlformungsaufgaben ist bekannt. Für Abbildungssysteme kann dabei ein diffraktiv optisches Element sowohl im Beleuchtungs- als auch im Abbildungsstrahlengang eingesetzt werden, wie in der DE 103 19 268 A1 beschrieben, indem mindestens eines der im Strahlengang vorhandenen abbildenden optischen Elemente ein diffraktiv optisches Element ist, das sowohl für den Beleuchtungs- als auch für den Abbildungsstrahlengang verwendet wird und durch Verwendung verschiedener Beugungsordnungen keine räumliche Trennung von Abbildungs- und Beleuchtungsstrahlengang im Objektivraum verlangt, und wobei sich im Abbildungs- und Beobachtungsstrahlengang weitere Elemente, beispielsweise Linsen, Spiegel, diffraktiv optische Elemente nach bzw. vor dem diffraktiv optischen Element befinden, die zur Kompensation der Abbildungseigenschaften des diffraktiv optischen Elementes beitragen. Das diffraktiv optische Element kann auch in Abhängigkeit von den Vorgaben des Systemdesign in Reflexion oder Transmission arbeiten. Beim Einsatz von Laserlichtquellen für Abbildungssysteme, die beispielsweise bei Mikroskopen für die Halbleiterfertigung zur Maskeninspizierung, bei der Waferinspektion oder bei Laserprojektoren Anwendung finden, treten kohärente Störungen in Form von Speckle auf, die den Bildkontrast in der Beleuchtungsebene herabsetzen. Aus der DE 102 01 315 A1 ist weiterhin ein Kohärenzminderer bekannt, der von der Erkenntnis ausgeht, dass störende Specklemuster um so gravierender sind, je größer die Kohärenzlänge der verwendeten Strahlung ist, wobei die Kohärenzlänge mit der spektralen Bandbreite verknüpft ist. Der Kohärenzminderer weist einen Strahlengang auf, welcher ein zugeführtes kohärentes Strahlenbündel in mehrere Teilstrahlenbündel so aufteilt, dass die Teilstrahlenbündel zueinander oder quer zur Strahlrichtung versetzt sind und/oder in unterschiedliche Richtungen propagieren, und wobei im Strahlengang auch mindestens ein doppelbrechendes Element in Form einer planparallelen oder keilförmigen Platte vorgesehen ist, so dass ein im Strahlengang einfallendes Strahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel aufteilt wird, die in senkrecht zueinander liegenden Polarisationsrichtungen polarisiert sind.
Ein diffraktives optisches Strahlformungselement (DOE), das in einem Beleuchtungssystem zur Aufteilung eines kohärenten Eingangsstrahlenbündels in mehrere Teilstrahlenbündel verwendet wird, ist sowohl aus der DE 10 2005 014 640 A1 als auch aus der US 2006/0028961 A1 bereits bekannt. Ferner beschreibt die US 2006/027 4418 A1 ein keilförmiges DOE zur Strahlhomogenisierung.
Ein großes Problem beim Einsatz von diffraktiv optischen Elementen für Strahlformungsaufgaben, bei denen eine Strahlung aus einer Laserlichtquelle verwendet wird, ist der Umgang mit der 0. Ordnung des diffraktiv optischen Elementes. Die 0. Ordnung liegt dabei entweder auf der optischen Achse im Bereich der Nutzordnungen, wobei der designbedingte Randabfall der Intensität im Fernfeld bei Rotation nicht gemittelt und die gewünschte Intensitätsverteilung gestört wird, oder die 0. Ordnung liegt auf der optischen Achse und die Nutzordnungen liegen neben der optischen Achse, so dass die Rotation des diffraktiv optischen Elementes zur Specklemittlung weiterhin mit erheblichen Effizienzverlust verbunden ist, da sich die Intensitätsverteilung im Fernfeld um die optische Achse bewegt und zusätzlich eine Justage auf der optischen Achse nicht möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die im Stand der Technik genannten Nachteile, die beim Einsatz von diffraktiv optischen Elementen für Strahlformungsaufgaben, insbesondere bei der Rotation des diffraktiv optischen Elementes zur Specklemittlung auftreten, mit geringen technischen Mitteln so einzuschränken, dass eine Mittelung der Intensität im Fernfeld auf der optischen Achse ohne den störenden Einfluss der 0. Ordnung erfolgen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass strahleingangsseitig vor einem diffraktiv optischen Element eine Keilplatte vorgesehen ist, wobei dem diffraktiv optischen Element im Strahlengang ein optisches System nachgeordnet ist, um bei einer gemeinsamen Rotation des diffraktiv optischen Elementes und der Keilplatte Speckle zu mitteln und in einem Fernfeld designbedingt die gewünschte Intensitätsverteilung zu erzeugen, wobei sich das Fernfeld um eine optische Achse dreht, und wobei eine 0. Ordnung von Nutzordnungen getrennt ausgebildet ist. Durch diese Kombination des diffraktiv optischen Elementes mit der Keilplatte kann bei deren gemeinsamer Rotation zur Specklemittlung der designbedingte Randabfall der Intensität im Fernfeld gemittelt werden. Zusätzlich kann eine Justage auf der optischen Achse bei kleinen Divergenzwinkeln durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich für einen Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops eine homogenere Beleuchtung und dadurch eine Verbesserung des erzielbaren Bildkontrastes.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Nutzordnungen um die optische Achse ausgebildet sind, wobei die 0. Ordnung getrennt von den Nutzordnungen außerhalb der optischen Achse und der Nutzordnungen vorgesehen ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Rückseite des diffraktiv optischen Elementes abzuschrägen, so dass beide Funktionen mit einem Bauteil realisiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass das diffraktiv optische Element in der vorderen Brennebene des vorzugsweise als Fourierlinse ausgebildeten optischen Systems angeordnet ist, und das Fernfeld in der hinteren Brennebene des optischen Systems vorgesehen ist, wobei das diffraktiv optische Element vorzugsweise als strukturierte Quarzplatte ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigt:
1 einen Beleuchtungsstrahlengang in einem Mikroskop mit einem diffraktiv optischen Element mit einer Keilplatte.
Der in 1 schematisch dargestellte Beleuchtungsstrahlengang in einem Mikroskop, das insbesondere für die Maskeninspektion in der Halbleiterindustrie eingesetzt wird, zeigt die erfindungsgemäße Kombination eines diffraktiv optischen Elementes 1 mit einer Keilplatte 2, die strahleingangsseitig vor dem diffraktiv optischen Element 1 zur Strahlformung eines kohärenten Eingangsstrahlenbündels angeordnet ist. Das vorzugsweise als strukturierte Quarzplatte ausgebildete und auf seiner Rückseite abgeschrägte diffraktiv optische Element 1 erzeugt ein Teilstrahlenbündel, welches Nutzordnungen 3 und eine 0. Ordnung 4 aufweist. Dem diffraktiv optischen Element 1 ist im Strahlengang ein optisches System 5 nachgeordnet, so dass bei einer gemeinsamen Rotation des diffraktiv optischen Elementes 1 und der Keilplatte 2 zur Specklemittelung sich ein Fernfeld 8 um eine optischen Achse 9 dreht, und wobei die 0. Ordnung 4 von den Nutzordnungen 3 getrennt ausgebildet ist. Durch diese Art der Trennung der 0. Ordnung 4 von den Nutzordnungen 3 kann gegenüber den bekannten technischen Lösungen bei einer gemeinsamen Rotation des diffraktiv optischen Elementes 1 und der Keilplatte 2 zur Specklemittlung der designbedingte Randabfall der Intensität in dem Fernfeld 8 gemittelt werden, da sich das Fernfeld 8 um die optischen Achse 9 dreht. Die Nutzordnungen 3 sind um die optische Achse 9 ausgebildet, wobei die 0. Ordnung 4 getrennt von den Nutzordnungen 3 außerhalb der optischen Achse 9 liegt. Das diffraktiv optische Element 1 ist dabei in einer vorderen Brennebene 6 vor dem optischen System 5, das vorzugsweise als Fourierlinse ausgebildet ist, angeordnet und das entstehende Fernfeld 8 in der hinteren Brennweite 7 des optischen Systems 5 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: diffraktiv optisches Element
2: Keilplatte
3: Nutzordnung
4: 0. Ordnung
5: optisches System
6: vordere Brennebene
7: hintere Brennebene
8: Fernfeld
9: optische Achse

Claims

Diffraktiver Strahlteiler für optische Systeme in Form eines diffraktiv optischen Strahlformungselementes (DOE), welches in einem Beleuchtungssystem zur Aufteilung eines zugeführten kohärenten Eingangsstrahlenbündels in mehrere Teilstrahlenbündel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass strahleingangsseitig vor einem diffraktiv optischen Element (1) eine Keilplatte (2) vorgesehen ist, wobei dem diffraktiv optischen Element (1) im Strahlengang ein optisches System (5) nachgeordnet ist, um bei einer gemeinsamen Rotation des diffraktiv optischen Elementes (1) und der Keilplatte (2) Speckle zu mitteln und in einem Fernfeld (8) designbedingt die gewünschte Intensitätsverteilung zu erzeugen, wobei sich das Fernfeld (8) um eine optische Achse (9) dreht, und wobei eine 0. Ordnung (4) von Nutzordnungen (3) getrennt ausgebildet ist.
Diffraktiver Strahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzordnungen (3) um die optische Achse (9) ausgebildet sind, wobei die 0. Ordnung (4) getrennt von den Nutzordnungen (3) außerhalb der optischen Achse (9) und der Nutzordnungen (3) ausgebildet ist.
Diffraktiver Strahlteiler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des diffraktiv optischen Elementes (1) abgeschrägt ausgebildet ist.
Diffraktiver Strahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktiv optische Element (1) in einer vorderen Brennebene (6) des optischen Systems (5) und das Fernfeld (8) in einer hinteren Brennebene (7) des optischen Systems (5) vorgesehen ist.
Diffraktiver Strahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktiv optische Element (1) als strukturierte Quarzplatte ausgebildet ist.
Diffraktiver Strahlteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (5) als Fourierlinse ausgebildet ist.