DE102008035320A1

DE102008035320A1 - Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen Beleuchtungssystem sowie Fourieroptiksystem

Info

Publication number: DE102008035320A1
Application number: DE200810035320
Authority: DE
Inventors: Markus Schwab; Michael Layh; Markus Deguenther; Artur Hoegele
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-01-28

Abstract

Ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes mit dem Licht einer primären Lichtquelle hat eine variabel einstellbare Pupillenformungseinheit zum Empfang von Licht der primären Lichtquelle und zur Erzeugung einer variabel einstellbaren zweidimensionalen Intensitätsverteilung in einer Pupillenformungsfläche des Beleuchtungssystems. Die Pupillenformungseinheit hat ein Fourieroptiksystem zur Umwandlung eines durch eine Eintrittsebene des Fourieroptiksystems eintretenden Eintrittsstrahlbündels in ein aus einer Austrittsebene des Fourieroptiksystems austretendes Austrittsstrahlbündel, Das Fourieroptiksystem hat eine Brennweite fFOS und eine zwischen einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche und einer austrittsseitigen letzten Systemfläche entlang einer optischen Achse gemessene Baulänge L und es gilt die Bedingung (L/fFOS) < 1/6.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes mit dem Licht einer primären Lichtquelle sowie auf eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen Beleuchtungssystem. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Fourieroptiksystem, welches z. B. als Teil eines Beleuchtungssystems einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage genutzt werden kann.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen werden heutzutage überwiegend mikrolithografische Projektionsbelichtungsverfahren eingesetzt. Dabei werden Masken (Retikel) verwendet, die das Muster einer abzubildenden Struktur tragen, z. B. ein Linienmuster einer Schicht (layer) eines Halbleiterbauelementes. Eine Maske wird in eine Projektionsbelichtungsanlage zwischen Beleuchtungssystem und Projektionsobjektiv im Bereich der Objektfläche des Projektionsobjektivs positioniert und mit einer vom Beleuchtungssystem bereitgestellten Beleuchtungsstrahlung beleuchtet. Die durch die Maske und das Muster veränderte Strahlung läuft als Projektionsstrahlung durch das Projektionsobjektiv, welches das Muster der Maske auf das zu belichtende Substrat abbildet, das normalerweise eine strahlungsempfindliche Schicht (Fotoresist, Fotolack) trägt.
Bei der Projektions-Mikrolithographie wird die Maske mit Hilfe eines Beleuchtungssystems beleuchtet, das aus dem Licht einer primären Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, auf die Maske gerichtete Beleuchtungsstrahlung formt, die durch bestimmte Beleuchtungsparameter definiert ist. Die Beleuchtungsstrahlung trifft innerhalb eines Beleuchtungsfeldes (Fläche definierter Form und Größe, z. B. Rechteckfeld oder gekrümmtes Ringfeld) auf die Maske auf, wobei Form und Größe des Beleuchtungsfeldes in der Regel konstant, d. h. nicht variabel. In der Regel wird innerhalb des Beleuchtungsfeldes eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung angestrebt, wozu innerhalb des Beleuchtungssystems Homogenisierungseinrichtungen, beispielsweise Lichtmischelemente wie Wabenkondensoren und/oder Stabintegratoren, vorgesehen sein können.
Außerdem werden je nach Art der abzubildenden Strukturen häufig unterschiedliche Beleuchtungsmodi (sogenannte „Beleuchtungssettings”) benötigt, die durch unterschiedliche örtliche Intensitätsverteilungen der Beleuchtungsstrahlung in einer Pupillenfläche des Beleuchtungssystems charakterisiert werden können. Man spricht in diesem Zusammenhang manchmal von „strukturierter Beleuchtung” bzw. von einer „Strukturierung der Beleuchtungspupille” oder von einer Strukturierung der sekundären Lichtquelle. Die Pupillenfläche des Beleuchtungssystems, in welcher bestimmte, definierbare zweidimensionale Intensitätsverteilungen (die sekundären Lichtquellen) vorliegen sollen, wird in dieser Anmeldung auch als „Pupillenformungsfläche” bezeichnet, weil wesentliche Eigenschaften der Beleuchtungsstrahlung mit Hilfe dieser Intensitätsverteilung „geformt” werden. Zu den Beleuchtungssettings gehören beispielsweise bei den konventionellen Beleuchtungssettings runde, um die optische Achse des Beleuchtungssystems zentrierte Beleuchtungsflecke unterschiedlicher Durchmesser (in der Regel definiert über den Kohärenzgrad σ der Beleuchtung) und bei nicht-konventionellen, d. h. außeraxialen Beleuchtungsarten die Ringbeleuchtung (oder annulare Beleuchtung) sowie polare Intensitätsverteilungen, beispielsweise Dipolbeleuchtung oder Quadrupolbeleuchtung. Die nicht-konventionellen Beleuchtungssettings zur Erzeugung einer außeraxialen (schiefen) Beleuchtung können unter anderem der Erhöhung der Tiefenschärfe durch Zweistrahlinterferenz sowie der Erhöhung des Auflösungsvermögens dienen.
Die „Pupillenformungsfläche” des Beleuchtungssystems, in welcher die gewünschte zweidimensionale Intensitätsverteilung (sekundäre Lichtquelle) vorliegen soll, kann bei einem in eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage eingebauten Beleuchtungssystem an oder nahe einer Position sitzen, die optisch konjugiert zu einer Pupillenebene eines nachfolgenden Projektionsobjektivs ist. Im Allgemeinen kann die Pupillenformungsfläche einer Pupillenfläche des Beleuchtungssystems entsprechen oder in deren Nähe liegen. Sofern die zwischenliegenden optischen Komponenten die Strahlwinkelverteilung nicht ändern, d. h. winkelerhaltend arbeiten, wird die Winkelverteilung der auf das Muster der Maske treffenden Beleuchtungsstrahlung durch die räumliche Intensitätsverteilung in der Pupillenformungsfläche des Beleuchtungssystems bestimmt. Außerdem wird, sofern die zwischenliegenden optischen Komponenten winkelerhaltend arbeiten, die räumliche Intensitätsverteilung in der Pupille des Projektionsobjektivs durch die räumliche Intensitätsverteilung (Ortsverteilung) in der Pupillenformungsfläche des Beleuchtungssystems bestimmt.
Diejenigen optischen Komponenten und Baugruppen des Beleuchtungssystems, die dazu vorgesehen sind, Licht einer primären Lichtquelle, z. B. eines Lasers oder einer Quecksilberdampflampe, zu empfangen und daraus eine gewünschte zweidimensionale Intensitätsverteilung (sekundäre Lichtquelle) in der „Pupillenformungsfläche” des Beleuchtungssystems zu erzeugen, bilden gemeinsam eine Pupillenformungseinheit, die in der Regel variabel einstellbar sein sollte.
Aus der US 2007/0165202 A1 (entsprechend WO 2005/026843 A2 ) der Anmelderin sind Beleuchtungssysteme bekannt, bei denen eine Pupillenformungseinheit zum Empfang von Licht einer primären Lichtquelle und zur Erzeugung einer variabel einstellbaren zweidimensionalen Intensitätsverteilung in einer Pupillenformungsfläche des Beleuchtungssystems eine Mehrfachspiegelanordnung (Multi-Mirror-Array, MMA) mit individuell ansteuerbaren Einzelspiegeln umfasst, die die Winkelverteilung der auf die Spiegelelemente fallenden Strahlung gezielt so verändern können, dass sich in der Pupillenformungsfläche die gewünschte Beleuchtungsintensitätsverteilung ergibt.
Verfahren zur Berechung von optimalen Strukturierungen der Intensitätsverteilung in der Pupillenformungsfläche eines Beleuchtungssystems in Abhängigkeit von abzubildenden Maskenstrukturen sind beispielsweise aus US 6,563,556 oder US 2004/0265707 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage bereitzustellen, das einen schnellen Wechsel zwischen unterschiedlichen Beleuchtungsmodi ermöglicht.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein zur Integration in ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage geeignetes, kompaktes Lichtmischsystem bereitzustellen, welches in der Lage ist, eine Lichtmischung bei kleinem geometrischen Lichtleitwert im Wesentlichen ohne Einführung von geometrischem Lichtleitwert zu bewirken.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben stellt die Erfindung ein Beleuchtungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein Fourieroptiksystem mit den Merkmalen von Anspruch 24 bereit. Weiterhin werden ein Lichtmischsystem mit den Merkmalen von Anspruch 26 und eine Projektionsbelichtungsanlage mit den Merkmalen von Anspruch 28 bereitgestellt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes mit dem Licht einer primären Lichtquelle vorgesehen. Das Beleuchtungssystem hat eine variabel einstellbare Pupillenformungseinheit zum Empfang von Licht der primären Lichtquelle und zur Erzeugung einer variabel einstellbaren zweidimensionalen Intensitätsverteilung in einer Pupillenformungsfläche des Beleuchtungssystems. Die Pupillenformungseinheit weist ein Fourieroptiksystem zur Umwandlung eines durch eine Eintrittsebene des Fourieroptiksystems eintretenden Eintrittsstrahlbündels in ein aus einer Austrittsebene des Fourieroptiksystems austretendes Austrittsstrahlbündel auf, wobei das Fourieroptiksystem eine Brennweite f_FOS und eine zwischen einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche und einer austrittsseitigen letzten Sys temfläche entlang einer optischen Achse gemessene Baulänge L hat und die Bedingung (L/f_FOS) < 1/6 gilt.
Der Begriff „Fourieroptiksystem” steht hier für ein optisches System, welches eine in der Eintrittsebene des Fourieroptiksystems vorliegende Strahlungsleistungsverteilung unter Erhalt des Lichtleitwertes (etendue, geometrical flux) der durchtretenden Strahlung in die Austrittsebene transformiert. Die Austrittsebene ist dabei eine zur Eintrittsebene Fourier-transformierte Ebene. Ein hindurchtretendes Strahlbündel definiert dabei in der Eintrittsebene eine Eintrittsfläche bestimmter Form und Größe, beispielsweise eine kreisförmige Eintrittsfläche oder eine quadratische oder auf andere Weise rechteckige Eintrittsfläche. In der Fouriertransformierten Austrittsebene definiert das Strahlbündel eine Austrittsfläche, deren Form und Größe von der Winkelverteilung der Strahlung in der Eintrittsebene bestimmt wird. Dabei ist die Geometrie der Eintrittsfläche durch die Strahlhöhen der durchtretenden Strahlen definiert. Die Geometrie der Eintrittsfläche wird durch das Fourieroptiksystem in eine korrespondierende Winkelverteilung (Verteilung von Strahlwinkeln) in der Austrittsebene überführt. Die „Eintrittsfläche” und die „Austrittsfläche” sind hier definiert als die Schnitfflächen eines durchtretenden Strahlbündels mit der Eintrittsebene bzw. der Austrittsebene und haben somit jeweils einen bestimmten Flächeninhalt. Bei der zwischen Eintrittsebene und Austrittsebene stattfindenden Fourier-Transformation wird die Leistungsverteilung jedes einzelnen Flächenelementes in der Eintrittsfläche auf die gesamte Austrittsfläche gemäß der lokalen Divergenz auf die Austrittsfläche verteilt. Alle austrittsseitig empfangenen Flächenelemente werden dabei in wenigstens einer Dimension additiv überlagert.
Ein Strahlbündel innerhalb eines realen optischen Systems enthält eine Vielzahl von Strahlen unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen. Die Winkelverteilung der Strahlen eines Strahlbündels kann durch die Divergenz DIV des Strahlbündels beschrieben werden, welche den größten Winkelunterschied zwischen Strahlen innerhalb des Strahlbündels beschreibt. Alternativ ist auch die Beschreibung durch die numerische Apertur NA des Strahlbündels möglich, welche in dieser Anmeldung dem Sinus des halben Divergenzwinkels entspricht. In der paraxialen Optik, d. h. bei kleinen Strahlwinkeln relativ zur optischen Achse eines optischen Systems, entspricht somit die numerische Apertur NA der halben Divergenz, d. h. NA = DIV/2. Die Wirkung eines Fourieroptiksystems auf ein durchtretendes Strahlbündel mit einer gegebenen Eingangsdivergenz (Divergenz auf der Eintrittsseite) kann vereinfacht so beschrieben werden, dass jedem Strahlwinkel RA_E eines Strahls auf der Eingangsseite eine dem Strahlwinkel proportionale Strahlhöhe RH_A auf der Austrittsseite zugeordnet wird. Die Strahlhöhe ist hier als senkrechter Abstand eines Strahls an einem gegebenen axialen Ort zur optischen Achse definiert. Die Proportionalität zwischen den Strahlwinkeln auf der Eintrittsseite und den Strahlhöhen auf der Austrittsseite ist durch die Brennweite f_FOS des Fourieroptiksystems gegeben gemäß RH_A = f_FOS·sin(RA_E).
Da ein Fourieroptiksystem dementsprechend Strahlwinkel auf seiner Eintrittsseite in Strahlhöhen auf seiner Austrittsseite nach Maßgabe der Brennweite des Fourieroptiksystems umsetzt, ist ein Fourieroptiksystem mit großer Brennweite z. B. in der Lage, aus einem Eingangsstrahlbündel mit gegebener kleiner Eingangsdivergenz ein Austrittsstrahlbündel mit entsprechend größerer Querschnittsfläche zu formen, wobei bei gegebener Brennweite des Fourieroptiksystems das Größenverhältnis zwischen Eintrittsfläche und Austrittsfläche von der Eingangsdivergenz abhängt und kleiner ist, je größer die Eingangsdivergenz ist.
In einem Beleuchtungssystem, welches mit einem Laser als primärer Lichtquelle arbeitet, liegt entsprechend der räumlichen Kohärenz der Laserstrahlung in der Regel Primärstrahlung mit sehr geringer Divergenz in Strahlbündeln mit relativ kleinem Strahlquerschnitt vor. Andererseits be steht bei Beleuchtungssystemen der Bedarf, innerhalb des Beleuchtungssystems mindestens einen Bereich zu haben, in dem die durchtretende Strahlung einen relativ großen Strahlquerschnitt hat. Wird beispielsweise im Bereich großen Strahlquerschnitts eine Lichtmodulationseinrichtung verwendet, um die Winkelverteilung der innerhalb eines auftreffenden Strahlbündels vorhandenen Strahlung variabel einzustellen, so kann die Ortsauflösung der variablen Einstellung verbessert werden, wenn die Lichtmodulationseinrichtung in einem Bereich relativer großen Strahldurchmessers sitzt und ein Feld mit vielen individuell ansteuerbaren Einzelelementen enthält, die jeweils einen Teilstrahl des auftreffenden Strahlbündels winkelverändernd beeinflussen. Je größer der Strahldurchmesser am Ort der Lichtmodulationseinrichtung ist, desto einfacher ist es, eine ausreichend große Anzahl steuerbarer Einzelelemente der Lichtmodulationseinrichtung bereitzustellen, um eine hohe Ortsauflösung der Winkeleinstellung zu ermöglichen.
Ein Fourieroptiksystem mit relativ großer Brennweite kann dazu genutzt werden, trotz relativ geringer Divergenz eines eintretenden Strahlbündels einen Strahl mit relativ großem Strahlquerschnitt zu erzeugen. Andererseits steht in einem Beleuchtungssystem in der Regel nur begrenzt Bauraum für optische Teilsysteme einer Pupillenformungseinheit zur Verfügung. Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Fourieroptiksystems lassen sich die gegenläufigen Forderungen nach wirksamer Strahlaufweitung eines Eingangsstrahlbündels mit kleiner Divergenz einerseits und relativ geringem Bauraumbedarf andererseits vereinbaren.
Vorzugsweise gilt für den Telefaktor TF = L/f_FOS die Bedingung (L/f_FOS) < 0.166. Der Telefaktor kann z. B. 0.125 oder weniger oder 0.1 oder weniger oder 0.075 oder weniger betragen.
Bei manchen Ausführungsformen beträgt die Brennweite f_FOS des Fourieroptiksystems 10 m oder mehr (z. B. 15 m oder mehr oder 20 m oder mehr oder 50 m oder mehr) und die Baulänge L beträgt weniger als 4 m, z. B 3.5 m oder weniger oder 3 m oder weniger.
Das Fourieroptiksystem verursacht eine ungerade Anzahl von Fouriertransformationen und kann z. B. 3 oder 5 Fouriertransformation verursachen. Vorzugsweise findet nur eine einzige Fouriertransformation zwischen Eintrittsfläche und Austrittsfläche statt, wodurch eine kurze Baulänge begünstigt wird.
Ein Fourieroptiksystem mit einer im Vergleich zur Brennweite relativ kurzen Baulänge hat in der Regel mindestens 3 Linsen. Bei manchen Ausführungsformen hat das Fourieroptiksystem eine erste Linsengruppe mit einer eintrittsseitigen ersten Linse und einer austrittsseitigen zweiten Linse sowie eine der ersten Linsengruppe nachgeschaltete zweite Linsengruppe mit einer eintrittsseitigen ersten Linse und einer austrittsseitigen zweiten Linse, wobei zwischen einer austrittsseitigen letzten Systemfläche der ersten Linsengruppe und einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche der zweiten Linsengruppe ein Gruppenabstand d_G besteht. Bei dieser Ausgestaltung sind somit mindestens 4 Linsen vorgesehen. Es kann sich um Einzellinsen handeln, eine oder mehrere der Linsen kann auch als geteilte Linse oder Linsengruppe ausgestaltet sein. Der Gruppenabstand ist in der Regel größer als die Baulängen der ersten und der zweiten Linsengruppe.
Bei manchen Ausführungsformen gilt für den Gruppenabstand d_G die Bedingung d_G > 0.60·L. Der Gruppenabstand kann somit einen wesentlichen Anteil der Gesamtbaulänge L ausmachen. Es kann auch die Bedingung d_G > 0.65·L oder d_G > 0.7·L gelten. Die einander zugewandten Linsen der ersten und zweiten Linsengruppe sollten somit einen relativ großen Abstand haben, was z. B. im Hinblick auf die energetische Belastung dieser Linsen vorteilhaft ist.
Im Vergleich zur Brennweite kann der Gruppenabstand relativ gering sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen gilt die Bedingung d_G < 0.12·f_FOS. Insbesondere kann d_G < 0.10·f_FOS oder d_G < 0.08·f_FOS oder d_G < 0.06·f_FOS gelten.
Konstruktionsprinzipien für einen im Hinblick auf die Strahlungsbelastung der Linsenelemente optimierten Aufbau eines Fourieroptiksystems werden im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen ausführlich erläutert.
Wenn das Fourieroptiksystem zur Übertragung einer Strahlungsenergie E pro Zeiteinheit bei einem Lichtleitwert H ausgelegt ist, P_A eine vorgebbare energetische Maximalbelastung der austrittsseitigen zweiten Linse der ersten Linsengruppe und P_B eine vorgebbare energetische Maximalbelastung der eintrittsseitigen ersten Linse der zweiten Linsengruppe ist, so ist bei manchen Ausführungsbeispielen vorgesehen, dass ein Gruppenabstand d_G zwischen einer austrittsseitigen letzten Systemfläche der ersten Linsengruppe und einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche der zweiten Linsengruppe nicht kleiner als ein minimaler Gruppenabstand d_G ^min ist, wobei für den minimalen Gruppenabstand gilt: dG min = n/H·E/(PaPb)1/2
Wird diese Bedingung eingehalten, so kann erreicht werden, dass die durch Strahlungsbelastung besonders gefährdeten Linsen nicht übermäßig belastet werden, so dass ein Dauerbetrieb ohne Linsendegradation möglich ist.
Um andererseits die Gesamtbaulänge L moderat zu halten, kann vorgesehen sein, dass der Gruppenabstand d_G zwischen d_G ^min und 3·d_G ^min liegt.
Bei manchen Ausführungsformen weist die Pupillenformungseinheit eine dem Fourieroptiksystem vorgeschaltene Lichtmischeinrichtung auf. Diese Lichtmischeinrichtung ist somit zwischen der primären Lichtquelle und dem Fourieroptiksystem angeordnet. Wenn die Lichtmischeinrichtung die eintretende Strahlung so mischt, dass eine im Wesentlichen homogene Verteilung im Winkelraum vorliegt, so wird diese durch das nachgeschaltete Fourieroptiksystem in eine homogene Lichtverteilung im Ortsraum im Bereich der Austrittsfläche umgewandelt, also in eine weitgehend gleichmäßige Ausleuchtung der Austrittsfläche. Die Lichtmischeinrichtung kann mindestens einen Wabenkondensor umfassen. Dessen hintere, dem Fourieroptiksystem zugewandte Brennebene kann im Wesentlichen mit der Eintrittsfläche des Fourieroptiksystems zusammenfallen oder leicht gegenüber dieser Fläche verschoben sein. Durch die Kombination einer im Winkelraum homogenisierend wirksamen Lichtmischeinrichtung mit einem nachgeschalteten Fourieroptiksystem ist es möglich, Eingangslicht mit relativ geringem geometrischen Lichtleitwert, beispielsweise das Licht eines Laserstrahles, im Wesentlichen ohne Einführung von Lichtleitwert zu mischen bzw. zu homogenisieren.
Bei einer Variante hat das Fourieroptiksystem mindestens ein Paar von gekreuzten Zylinderlinsensystemen, wobei ein Paar von gekreuzten Zylinderlinsensystemen ein erstes Zylinderlinsensystem mit mindestens einer in einer ersten Krümmungsebene gekrümmten ersten Zylinderfläche und ein zweites Zylinderlinsensystem mit mindestens einer in einer zweiten Krümmungsfläche gekrümmten zweiten Zylinderfläche hat, wobei die erste und die zweite Krümmungsebene senkrecht aufeinander stehen. Unter gewissen Belastungsbedingungen kann bei Verwendung gekreuzter Zylinderlinsensysteme die Baulänge eines belastungsoptimierten Fourieroptiksystems geringer sein als beim Einsatz rotationssymmetrischer Linsen.
Zylinderlinsen unterschiedlich ausgerichteter Krümmungsebenen können verschachtelt, d. h. in wechselnder Folge angeordnet sein. Es ist auch möglich, die unterschiedlich orientierten Zylinderlinsen in „reine” Teilsysteme zu gruppieren. Bei einer Variante hat das Fourieroptiksystem eine erste Zylinderlinsengruppe mit mehreren ersten Zylinderlinsen und eine nachgeschaltete zweite Zylinderlinsengruppe mit mehreren zweiten Zylinderlinsen mit orthogonaler Orientierung der Krümmungsebene.
Die Erfindung betrifft auch ein Fourieroptiksystem zur Umwandlung eines durch eine Eintrittsebene des Fourieroptiksystems eintretenden Eintrittsstrahlbündels in ein aus einer Austrittsebene des Fourieroptiksystems austretendes Austrittsstrahlbündel, wobei das Fourieroptiksystem eine Brennweite f_FOS und eine zwischen einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche und einer austrittsseitigen letzten Systemfläche entlang einer optischen Achse gemessene Baulänge L hat und die Bedingung (L/f_FOS) < 1/6 gilt.
Das Fourieroptiksystem kann in einem Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie wie beschrieben oder an anderer Stelle verwendet werden. Alternativ ist es auch in anderen strahlungsführenden Systeme einsetzbar, z. B. in einer Laserbearbeitungsmaschine.
Die Erfindung betrifft auch ein Lichtmischsystem zum Empfang von Licht einer primären Lichtquelle und zur Erzeugung einer im Wesentlichen homogenen zweidimensionalen Intensitätsverteilung in einer Beleuchtungsfläche, wobei das Lichtmischsystem ein Fourieroptiksystem der genannten Art aufweist und dem Fourieroptiksystem eine im Winkelraum wirksame Lichtmischeinrichtung vorgeschaltet ist. Dadurch kann ein kompaktes Lichtmischsystem mit moderatem Bauraumbedarf bereitgestellt werden, welches in der Lage ist, eine Lichtmischung bei kleinem geometrischen Lichtleitwert im Wesentlichen ohne Einführung von geometrischem Lichtleitwert zu bewirken.
Die Erfindung betrifft auch eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Belichtung eines im Bereich einer Bildfläche eines Projektionsobjektivs angeordneten strahlungsempfindlichen Substrats mit mindestens einem Bild eines im Bereich einer Objektfläche des Projektionsobjektivs angeordneten Musters einer Maske mit: einer primären Lichtquelle; einem Beleuchtungssystem zum Empfang des Lichtes der primären Lichtquelle und zur Formung von auf das Muster der Maske gerichteter Beleuchtungsstrahlung; und einem Projektionsobjektiv zur Abbildung der Struktur der Maske auf ein lichtempfindliches Substrat, wobei das Beleuchtungssystem mindestens ein Fourieroptiksystem der in dieser Anmeldung beschriebenen Art enthält.
Die Begriffe „Strahlung” und „Licht” im Sinne dieser Anmeldung sind weit zu interpretieren und sollen insbesondere elektromagnetische Strahlung aus dem tiefen Ultraviolettbereich umfassen, beispielsweise bei Wellenlängen von ca. 365 nm, 248 nm, 193 nm, 157 nm oder 126 nm.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei 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 Übersicht einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einer Pupillenformungseinheit;
2 zeigt schematisch wesentliche Komponenten einer Ausführungsform einer Pupillenformungseinheit, wobei 2A eine Übersichtsdarstellung ist und 2B, 2C schematisch eine in der Pupillenformungseinheit verwendete Mehrfachspiegelanordnung zeigen;
3 zeigt in 3A und 3B ein Lichtmischsystem mit einem Wabenkondensor und einem nachgeschalteten Fourier-Optiksystem;
4 zeigt in 4A eine schematische Darstellung einer Pupillenformungseinheit mit einem Wabenkondensor und einem nachgeschaltetem, gefalteten Fourieroptiksystem und in 4B eine Pupillenformungseinheit mit einer anderen Lichtmischeinrichtung und einem nachgeschalteten, gefalteten Fourieroptiksystem;
5 zeigt einen meridionalen Linsenschnitt durch eine Ausführungsform eines Fourieroptiksystems, welches in der Pupillenformungseinheit verwendet werden kann,
6 zeigt schematisch den paraxialen Strahlengang durch ein Fourieroptiksystem;
7 zeigt schematisch die Darstellung eines paraxialen Strahlenganges durch ein optisches System und das zugehörige Delano-Diagramm;
8 zeigt eine Darstellung eines Abstandes d zwischen zwei Punkten im Delano-Diagramm;
9 illustriert eine energetisches Belastungsmodell für optische Elemente eines optischen Systems;
10 zeigt ein Delano-Diagramm für ein Fourieroptiksystem mit nur einer Linse bzw. Brechkraft b;
11 zeigt ein Delano-Diagramm für ein Fourieroptiksystem mit drei Brechkräften;
12 zeigt ein Delano-Diagramm eines Fourieroptiksystems mit vier Linsen bzw. Brechkräften;
13 zeigt ein semi-quantitatives Diagramm der flächenbezogenen Strahlungsleistungsdichte S für ausgezeichnete Flächen eines Fourieroptiksystems;
14 zeigt vereinfachte Delano-Diagramme für Fourieroptiksysteme mit jeweils 4 Einzellinsen und unterschiedlichen Brechkraftfolgen, nämlich pppp in 14A, pnpp in 14B und ppnp in 14C;
15 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines Fourieroptiksystems mit Zylinderlinsen;
16 zeigt eine schematische Darstellung eines Fourieroptiksystems mit zugehörigem Eingangsfeld und Ausgangsfeld;
17 zeigt ein vereinfachtes Delano-Diagramm ähnlich 12 zur Illustration der belastungsoptimierten Anordnung von Linsen;
18 zeigt ein Delano-Diagramm eines rotationssymmetrischen Fourieroptiksystems mit vier Linsen und Linsenfolge pnnp.
19 zeigt ein Delano-Diagramm einer ersten Zylinderlinsengruppe mit langer Ausgangsschnittweite, welche in Bestrahlungsrichtung vor einer zweiten Zylinderlinsengruppe (20) angeordnet ist;
20 zeigt ein Delano-Diagramm einer zweiten Zylinderlinsengruppe, welche in Bestrahlungsrichtung hinter einer ersten Zylinderlinsengruppe (19) angeordnet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 ist ein Beispiel einer Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage 100 gezeigt, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen einsetzbar ist und zur Erzielung von Auflösungen bis zu Bruchteilen von Mikrometern mit Licht bzw. elektromagnetischer Strahlung aus dem tiefen Ultraviolettbereich (DUV) arbeitet. Als primäre Lichtquelle 102 dient ein ArF-Excimer-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von ca. 193 nm, dessen linear polarisierter Laserstrahl koaxial zur optischen Achse 103 des Beleuchtungssystems 190 in das Beleuchtungssystem eingekoppelt wird. Andere UV-Lichtquellen, beispielsweise F₂-Laser mit 157 nm Arbeitswellenlänge, ArF-Excimer-Laser mit 248 nm Arbeitswellenlänge oder Quecksilberdampflampen, z. B. mit 368 nm oder 436 nm Arbeitswellenlänge, sowie primäre Lichtquellen mit Wellenlängen unterhalb 157 nm sind ebenfalls möglich.
Das polarisierte Licht der Lichtquelle 102 tritt zunächst in einen Strahlaufweiter 104 ein, der beispielsweise als Spiegelanordnung gemäß der US 5,343,489 ausgebildet sein kann und zur Kohärenzreduktion und Vergrößerung des Strahlquerschnitts dient.
Der aufgeweitete Laserstrahl hat eine bestimmte Querschnittsfläche mit einem Flächeninhalt beispielsweise im Bereich zwischen 100 mm² und 1.000 mm² und eine bestimmte Querschnittsform, beispielsweise eine quadratische Querschnittsform. Die Divergenz des aufgeweiteten Laserstrahls ist in der Regel kleiner als die sehr geringe Divergenz des Laserstrahls vor der Strahlaufweitung. Die Divergenz kann z. B. zwischen ca. 1 mrad und ca. 3 mrad liegen.
Der aufgeweitete Laserstrahl tritt in eine Pupillenformungseinheit 150 ein, die eine Vielzahl optischer Komponenten und Gruppen enthält und dazu ausgelegt ist, in einer nachfolgenden Pupillenformungsfläche 110 des Beleuchtungssystems 190 eine definierte, örtliche (zweidimensionale) Beleuchtungsintensitätsverteilung zu erzeugen, die manchmal auch als sekundäre Lichtquelle oder als „Beleuchtungspupille” bezeichnet wird. Die Pupillenformungsfläche 110 ist eine Pupillenfläche des Beleuchtungssystems.
Die Pupillenformungseinheit 150 ist variabel einstellbar, so dass in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Pupillenformungseinheit unterschiedliche lokale Beleuchtungsintensitätsverteilungen (d. h. unterschiedlich strukturierte sekundäre Lichtquellen) eingestellt werden können. In 1 sind verschiedene Ausleuchtungen der kreisförmigen Beleuchtungspupille beispielhaft schematisch gezeigt, nämlich ein konventionelles Setting CON mit zentriertem, kreisförmigem Beleuchtungsfleck, eine Dipolbeleuchtung DIP oder eine Quadrupolbeleuchtung QUAD.
In unmittelbarer Nähe der Pupillenformungsfläche 110 ist ein optisches Rasterelement 109 angeordnet. Eine dahinter angeordnete Einkoppeloptik 125 überträgt das Licht auf eine Zwischenfeldebene 121, in der ein Retikel/Masking-System (REMA) 122 angeordnet ist, welches als verstellbare Feldblende dient.
Das optische Rasterelement 109 hat eine zweidimensionale Anordnung diffraktiver oder refraktiver optischer Elemente und hat mehrere Funktionen. Einerseits wird durch das Rasterelement die eintretende Strahlung so geformt, dass sie nach Durchtritt durch die nachfolgende Einkoppeloptik 125 im Bereich der Feldebene 121 ein rechteckförmiges Beleuchtungsfeld ausleuchtet. Das auch als Feld-definierendes Element (FDE) bezeichnete Rasterelement 109 mit rechteckförmiger Abstrahlcharakteristik erzeugt dabei den Hauptanteil des Lichtleitwertes und adaptiert diesen an die gewünschte Feldgröße und Feldform in der zur Maskenebene 165 optisch konjugierten Feldebene 121. Das Rasterelement 109 kann als Prismenarray ausgeführt sein, bei dem in einem zweidimensionalen Feld angeordnete Einzelprismen lokal bestimmte Winkel einführen, um die Feldebene 121 wie gewünscht auszuleuchten. Die durch die Einkoppeloptik 125 erzeugte Fourier-Transformation bewirkt, dass jeder spezifische Winkel am Austritt des Rasterelementes einem Ort in der Feldebene 121 entspricht, während der Ort des Rasterelementes, d. h. seine Position in Bezug auf die optische Achse 103, den Beleuchtungswinkel in der Feldebene 121 bestimmt. Die von den einzelnen Rasterelementen ausgehenden Strahlbündel überlagern sich dabei in der Feldebene 121. Es ist auch möglich, das Feld-definierende Element nach Art eines mehrstufigen Wabenkondensors mit Mikrozylinderlinsen und Streuscheiben auszugestalten. Durch geeignete Auslegung des Rasterelementes 109 bzw. seiner Einzelelemente kann erreicht werden, dass das Rechteckfeld in Feldebene 121 im Wesentlichen homogen ausgeleuchtet wird. Das Rasterelement 109 dient somit als Feldformungs- und Homogenisierungselement auch der Homogenisierung der Feldausleuchtung, so dass auf ein geson dertes Lichtmischelement, beispielsweise einen über mehrfache innere Reflexion wirkende Integratorstab oder einen Wabenkondensor verzichtet werden kann. Hierdurch wird der optische Aufbau in diesem Bereich axial besonders kompakt.
Das nachfolgende Abbildungsobjektiv 140 (auch REMA-Objektiv genannt) bildet die Zwischenfeldebene 121 mit der Feldblende 122 auf das Retikel 160 (Maske, Lithografievorlage) in einem Maßstab ab, der z. B. zwischen 2:1 und 1:5 liegen kann und bei der Ausführungsform etwa bei 1:1 liegt. Die Abbildung erfolgt ohne Zwischenbild, so dass zwischen der Zwischenfeldebene 121, die der Objektebene des Abbildungsobjektivs 140 entspricht, und der zu dieser Objektebene optisch konjugierten Bildebene 165 des Abbildungsobjektivs, die der Austrittsebene des Beleuchtungssystems und gleichzeitig der Objektebene eines nachfolgenden Projektionsobjektivs 170 entspricht, genau eine Pupillenfläche 145 liegt, die eine Fourier-transformierte Fläche zur Austrittsebene 165 des Beleuchtungssystems ist. Bei anderen Ausführungsformen wird im Abbildungsobjektiv mindestens ein Zwischenbild erzeugt. Ein zwischen dieser Pupillenfläche 145 und der Bildfläche angeordneter, um 45° zur optischen Achse 103 geneigter Umlenkspiegel 146 ermöglicht es, das relativ große Beleuchtungssystem (mehrere Meter Länge) horizontal einzubauen und das Retikel 160 waagerecht zu lagern. Zwischen der Zwischenfeldebene 121 und der Bildebene 165 des Abbildungsobjektivs können strahlungsbeeinflussende Elemente angeordnet sein, beispielsweise polarisationsbeeinflussende Elemente zur Einstellung eines definierten Polarisationszustandes der Beleuchtungsstrahlung.
Diejenigen optischen Komponenten, die das Licht des Lasers 102 empfangen und aus dem Licht Beleuchtungsstrahlung formen, die auf das Retikel 160 gerichtet ist, gehören zum Beleuchtungssystem 190 der Projektionsbelichtungsanlage. Hinter dem Beleuchtungssystem ist eine Einrichtung 171 zum Halten und Manipulieren des Retikels 160 so ange ordnet, dass das am Retikel angeordnete Muster in der Objektebene 165 des Projektionsobjektives 170 liegt und in dieser Ebene zum Scannerbetrieb in einer Scan-Richtung (y-Richtung) senkrecht zur optischen Achse 103 (z-Richtung) mit Hilfe eines Scanantriebs bewegbar ist.
Hinter der Retikelebene 165 folgt das Projektionsobjektiv 170, das als Reduktionsobjektiv wirkt und ein Bild des an der Maske 160 angeordneten Musters in reduziertem Maßstab, beispielsweise im Maßstab 1:4 oder 1:5, auf einen mit einer Fotoresistschicht bzw. Fotolackschicht belegten Wafer 180 abbildet, dessen lichtempfindliche Oberfläche in der Bildebene 175 des Projektionsobjektivs 170 liegt. Es sind refraktive, katadioptrische oder katoptrische Projektionsobjektive möglich. Andere Reduktionsmaßstäbe, beispielsweise stärkere Verkleinerungen bis 1:20 oder 1:200, sind möglich.
Das zu belichtende Substrat, bei dem es sich im Beispielsfall um einen Halbleiterwafer 180 handelt, wird durch eine Einrichtung 181 gehalten, die einen Scannerantrieb umfasst, um den Wafer synchron mit dem Retikel 160 senkrecht zur optischen Achse zu bewegen. Je nach Auslegung des Projektionsobjektivs 170 (z. B. refraktiv katadioptrisch oder katoptrisch, ohne Zwischenbild oder mit Zwischenbild, gefaltet oder ungefaltet) können diese Bewegungen zueinander parallel oder gegenparallel erfolgen. Die Einrichtung 181, die auch als „Waferstage” bezeichnet wird, sowie die Einrichtung 171, die auch als „Retikelstage” bezeichnet wird, sind Bestandteil einer Scannereinrichtung, die über eine Scan-Steuereinrichtung gesteuert wird.
Die Pupillenformungsfläche 110 liegt an oder nahe einer Position, die optisch konjugiert zur nächsten nachfolgenden Pupillenfläche 145 sowie zur bildseitigen Pupillenfläche 172 des Projektionsobjektivs 170 ist. Somit wird die räumliche (örtliche) Lichtverteilung in der Pupille 172 des Projektionsobjektivs durch die räumliche Lichtverteilung (Ortsverteilung) in der Pupillenformungsfläche 110 des Beleuchtungssystems bestimmt. Zwischen den Pupillenflächen 110, 145, 172 liegen jeweils Feldflächen im optischen Strahlengang, die Fourier-transformierte Flächen zu den jeweiligen Pupillenflächen sind. Dies bedeutet insbesondere, dass eine definierte Ortsverteilung von Beleuchtungsintensität in der Pupillenformungsfläche 110 eine bestimmte Winkelverteilung der Beleuchtungsstrahlung im Bereich der nachfolgenden Feldfläche 121 ergibt, die wiederum einer bestimmten Winkelverteilung der auf das Retikel 160 fallenden Beleuchtungsstrahlung entspricht.
In 2 sind schematisch wesentliche Komponenten einer Ausführungsform einer Pupillenformungseinheit 150 gezeigt. Das eintretende, aufgeweitete Laserstrahlungsbündel 105 wird durch eine planen Umlenkspiegel 151 in Richtung auf einen Wabenkondensor (fly eyes lens) 152 umgelenkt, der das eintreffende Strahlungsbündel in Teil-Beleuchtungsstrahlbündel zerlegt, die nachfolgend durch ein Fourieroptiksystem 500 auf ein Linsenarray 155 d. h. auf eine zweidimensionale Feldanordnung von Linsensystemen übertragen werden. Das Linsenarray 155 konzentriert die Teil-Beleuchtungsstrahlbündel 156 auf individuell ansteuerbare Spiegelelemente einer Mehrfachspiegelanordnung 300 (multi-mirror-array, MMA), welche im Zusammenhang mit 2B und 2C noch näher erläutert wird. Die Mehrfachspiegelanordnung wird hier als reflektive Lichtmodulationseinrichtung zur steuerbaren Veränderung der Winkelverteilung des auf die Lichtmodulationseinrichtung einfallenden Strahlungsbündels betrieben und sorgt durch die Ausrichtung seiner Einzelspiegel 302 für eine mit Hilfe der Mehrfachspiegelanordnung definierbare Beleuchtungswinkelverteilung, die sich in der Pupillenformungsfläche 110 zu einer Intensitätsverteilung in dieser Pupillenfläche überlagert. Die einzelnen Spiegel 302 der Mehrfachspiegelanordnung, welche an einem gemeinsamen Trägerelement 301 angebracht sind, sind um eine oder mehrere Achsen zur Veränderung des Ausbreitungswinkels der auftreffenden Teil-Beleuchtungsstrahlbündel 156 verkippbar. Die von den Einzelspiegeln 302 ausgehenden Teil-Beleuchtungsstrahlbündel werden durch eine Streuscheibe 157 hindurchgeführt und mittels einer nachfolgenden Kondensoroptik 158 in die Pupillenformungsfläche 110 abgebildet. Das Linsenarray 155 und/oder die Mikrospiegelanordnung 300 können im Wesentlichen so konstruiert sein, wie es in der US 2007/0165202 A1 der Anmelderin beschrieben ist. Die diesbezügliche Offenbarung dieser Patentanmeldung wird durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Auch transmittierende Lichtmodulationseinrichtungen sind möglich.
Die 3A, 3B zeigen schematisch einige Baugruppen der Pupillenformungseinheit 150, die sich zwischen dem optionalen Umlenkspiegel 151 und der Mehrfachspiegelanordnung 300 befinden. Auf die Darstellung des optionalen Linsenarrays 155 wurde verzichtet. 3A zeigt, wie ein einzelnes, durch einen Kanal des Wabenkondensors 152 geleitetes Teil-Beleuchtungsstrahlbündel mit Hilfe des Wabenkondensors und des nachfolgenden Fourieroptiksystems 500 auf die Mehrfachspiegelanordnung 300 abgebildet wird. Das Fourieroptiksystem wird hier als Kondensur betrieben und so angeordnet, dass sich die zweite Wabenkanalplatte 152A des Wabenkondensors in der eintrittsseitigen (vorderen) Brennebene und die Mehrfachspiegelanordnung 300 in der austrittsseitigen (hinteren) Brennebene des Fourieroptiksystems 500 befindet. Zur Verdeutlichung sind die Strahlengänge ausgewählter Strahlen des Teil-Beleuchtungsstrahlbündels in Form von durchgezogenen bzw. gestrichelten Linien dargestellt, die optische Achse 103 ist strichpunktiert. Die durchgezogenen Linien stellen diejenigen Strahlen des Teil-Beleuchtungsstrahlbündels dar, die den entsprechenden Wabenkanal des Wabenkondensors 152 und einem größtmöglichen Winkel treffen. Die gestrichelten Linien stellen dagegen diejenigen Strahlen dar, die den einzelnen Wabenkanal parallel zur optischen Achse und somit unter einem kleinstmöglichen Winkel treffen. Somit ist die Divergenz des Teil-Beleuchtungsstrahlbündels vor dem Wabenkondensor gegeben durch den vollen Öffnungswinkel zwischen den Abbildungsstrahlengängen der durchgezogenen Linien. Die eintrittsseitige Divergenz DIV_E ist in 3A symbolisch durch einen ausgefüllten Kreis dargestellt, dessen ausgefüllte Fläche ein Maß für die Divergenz des Teil-Bleuchtungsstrahlbündels sein soll.
In Durchstrahlungsrichtung hinter dem Wabenkondensor 152, also nach dem Wabenkondensor, sind es die Abbildungsstrahlengänge der gestrichelten Linien, die die Divergenz des Teilbeleuchtungsstrahlbündels stimmen. Diese austrittsseitige Divergenz DIV_A ist wiederum symbolisch in Form eines ausgefüllten Kreises dargestellt, dessen Fläche größer ist als diejenige des die eintrittsseitige Divergenz repräsentierenden Kreises, wodurch die divergenz-erhöhende Wirkung des Wabenkondensors 152 verdeutlicht wird.
In 3B zeigt im Gegensatz zu 3A die Darstellung zweier Teil-Beleuchtungsstrahlenbündel, die durch unterschiedliche Wabenkanäle des Wabenkondensors geführt werden. Beide Teil-Beleuchtungsstrahlengänge repräsentieren Abbildungsstrahlengänge von Beleuchtungsstrahlen, die parallel zur optischen Achse verlaufen und somit senkrecht auf den Wabenkondensor treffen. Es ist erkennbar, dass die durch unterschiedliche Wabenkanäle geführten Teil-Belichtungsstrahlbündel mit Hilfe des Fourieroptiksystems 500 im Bereich der Mehrfachspiegelanordnung 300 überlagert werden. Die Abbildungsstrahlengänge überlagern sich am gleichen Ort auf der Mehrfachspiegelanordnung 300, obwohl sie aus zwei verschiedenen Wabenkanälen stammen.
Besitzen die beiden dargestellten Teil-Beleuchtungsstrahlenbündel eine räumliche Kohärenz zueinander, so kann dies bei hoher räumlicher Kohärenz dazu führen, dass sich bei der Überlagerung auf den Mehrfachspiegelanordnung periodische Intensitätsschwankungen über die Mehr fachspiegelanordnung hinweg ergeben, die schematisch durch eine Intensitätsfunktion 310 dargestellt sind. In den Strahlengang können daher ein oder mehrere kohärenzreduzierende Elemente eingefügt sein, beispielsweise geeignete Phasenelemente 153 im Bereich des Wabenkondensors. Ein Phasenelement kann so ausgelegt sein, dass es die relativen Phasen unterschiedlicher Teil-Belichtungsstrahlbündel im Bereich des Wabenkondensors unterschiedlich beeinflusst und daher diese gegeneinander in der Phase verschiebt, so dass sich im Bereich der Überlagerung bei der Mehrfachspiegelanordnung eine Überlagerung von vielen periodischen Funktionen ergibt, die insgesamt zu einer erheblichen Reduzierung des Ausmaßes der Intensitätsschwankungen im Bereich der Mehrfachspiegelanordnung führen.
Der Einsatz von Phasenelementen ist beispielsweise in der am 21. Dezember 2007 eingereichten US Provisional-Anmeldung mit Serial No. 61/015918 der Anmelderin erläutert, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
Zur Optimierung von Lithographieprozessen ist es in der Regel gewünscht, die zweidimensionale Intensitätsverteilung in der Pupillenformungsfläche des Beleuchtungssystems mit hoher Genauigkeit und großer örtlicher Auflösung einzustellen. Wenn zur Strukturierung der Beleuchtungspupille eine Lichtmodulationseinrichtung mit einer zweidimensionalen Feldanordnung individuell ansteuerbarer Einzelelemente verwendet wird, mit deren Hilfe die Winkelverteilung der auftreffenden Strahlung verändert werden kann (wie z. B. Mehrfachspiegelanordnung 300), so lässt sich die räumliche Auflösung durch eine entsprechend große Anzahl von Einzelelementen mit angepasster Wirkungscharakteristik erreichen. So kann beispielsweise die Mehrfachspiegelanordnung mehr als 500 oder mehr als 1.000 oder mehr als 2.000 oder mehr als 4.000 ansteuerbare Einzelelemente enthalten. Andererseits wird die Konstruktion aufwändiger und die Baugröße größer, je mehr Einzelele mente untergebracht werden sollen, so dass die obere Grenze für die Anzahl von Einzelelementen aus praktischen Gründen häufig bei einigen 10.000 Einzelelementen liegt, beispielsweise bei weniger als 80.000 oder weniger als 60.000 oder weniger als 40.000 Einzelelementen. Lichtmodulationseinrichtungen mit hoher Ortsauflösung haben daher in der Regel eine Flächenausdehnung, die mindestens einen oder mehrere Quadratzentimeter beträgt und beispielsweise zwischen ca. 2 cm² und 80 cm² bis 100 m² oder mehr liegen kann.
Um eine vollständige Ausleuchtung aller für die Nutzung vorgesehenen Einzelelemente der Lichtmodulationseinrichtung zu erreichen, ist es somit erforderlich, dass der Querschnitt des Beleuchtungsstrahlbündels an die zu beleuchtende Querschnittsfläche der Lichtmodulationseinrichtung angepasst wird. Bei einem in die Pupillenformungseinheit eintretenden Laserstrahlbündel mit typischen Querschnittsflächen von beispielsweise 10 bis 100 mm² wird somit eine Anpassung des Strahlquerschnitts an die auszuleuchtende Größe der Lichtmodulationseinrichtung erforderlich. Diese Aufgabe wird bei den beschriebenen Ausführungsformen durch das Fourieroptiksystem 500 übernommen, welches im Folgenden näher erläutert wird.
4 zeigt hierzu in 4A eine schematische Darstellung der Pupillenformungseinheit mit Wabenkondensor 152, Fourieroptiksystem 500, Linsenarray 155 und Mikrospiegelanordnung 300. Das Fourieroptiksystem ist aus Bauraumgründen Z-förmig gefaltet, wozu zwei Umlenkprismen 501, 502 mit planaren reflektierenden Umlenkspiegelflächen im Strahlengang angeordnet sind. 4B zeigt eine Variante, bei der der Wabenkondensor durch eine andere Lichtmischeinrichtung 152A ersetzt wurde, die beispielsweise einen Stabintegrator oder eine Lichtleitfaser oder ein entsprechendes Lichtleitfaserbündel enthalten kann. Das Fourieroptiksystem 500 ist so ausgelegt, dass es in der Lage ist, ein Eingangsstrahlbündel mit kleiner Divergenz umzuformen in ein Strahlbündel mit relativ großem Querschnitt. Hierzu werden die relativ kleinen eingangsseitigen Strahlwinkel in Strahlhöhen an der Austrittsseite des Fourieroptiksystems umgesetzt.
Anhand des Ausführungsbeispiels eines Fourieroptiksystems 500 in 5 werden im Folgenden Aufbau und Funktion eines Fourieroptiksystems 500 näher erläutert, welches für die Verwendung als Strahlanpassungssystem im Beleuchtungssystem einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage ausgelegt ist. Das Fourieroptiksystem transformiert die mit sehr kleinem Lichtleitwert und hoher Leistung vorliegende Strahlungsleistungsverteilung, welche in der Eintrittsebene 510 bzw. Senderebene des Fourieroptiksystems vorliegt, unter Erhaltung dieses Lichtleitwertes in die zur Eintrittsebene Fourier-transformierte Austrittsebene 520, die auch als Empfängerebene bezeichnet werden kann. Die Empfängerebene 520 kann bei dem in das Beleuchtungssystem eingebauten Fourieroptiksystem z. B. in der Nähe des Linsenarrays 155 liegen. Das durchtretende Strahlbündel definiert dabei in der Eintrittsebene eine Eintrittsfläche 511 und in der Austrittsebene eine Austrittsfläche 521, die über eine Fourier-Transformation in Beziehung zur Eintrittsfläche steht. Die lokale Strahlungsleistungsverteilung jedes einzelnen Flächenelementes in der Eintrittsfläche 511 wird dabei auf die gesamte Fläche der Austrittsfläche verteilt, so dass die aus den eintrittsseitigen Flächenelementen stammende Strahlungsleistung jeweils in der Austrittsfläche additiv überlagert werden. Dadurch ergibt sich eine Homogenisierung der lokalen Strahlungsleistung.
Das Fourieroptiksystem 500, im Folgenden auch kurz als „F-Optik” bezeichnet, hat fünf Linsen und keine weiteren optischen Elemente mit Brechkraft, ist also rein refraktiv aufgebaut. Die Linsen sind in zwei zueinander beabstandeten Linsengruppen LG1, LG2 angeordnet. Die eintrittsseitige erste Linsengruppe LG1 hat eine eintrittsseitige erste Linse L1-1 mit positiver Brechkraft (Positivlinse, p-Linse) in Form einer Bikon vexlinse und eine austrittsseitige zweite Linse L1-2 mit negativer Brechkraft (Negativlinse, n-Linse) in Form einer austrittsseitig konkaven Negativ-Meniskuslinse. Die mit großem Abstand d dahinter angeordnete zweite Linsengruppe LG2 hat eine eintrittsseitige erste Linse L2-1 mit negativer Brechkraft in Form einer Bikonkavlinse, und zwei austrittsseitige zweite Linsen, nämlich eine eintrittsseitig konkave Positiv-Meniskuslinse L2-2 und eine nachfolgende bikonvexe Positiv-Linse L2-3, welche die austrittsseitig letzte Linse des Fourieroptiksystems bildet.

Die Systemdaten sind in Tabelle A angegeben. Die Spalte „Radius” bezeichnet den Krümmungsradius der jeweiligen Flächen, die Spalte „Dicke” die Mittendicke auf der optischen Achse. Tabelle A

Gruppe	Element	Abstand d [mm]	Fläche	Radius r [mm]	Form	Dicke [mm]	Material
LG1	L1-1		S1 S2	276 3910	konvex konvex	10	CaF2
		300
LG1	L1-2		S3 S4	154 67.66	konvex konkav	3	CaF2
		1254
LG2	L2-1		S5 S6	73.45 21.76	konkav konkav	4	CaF2
		182
LG2	L2-2		S7 S8	403.8 133.6	konkav konvex	12	CaF2
		56
LG2	L2-3		S9 S10	771.4 307.5	konvex konvex	15	CaF2

Zwischen den Scheitelpunkten der eintrittsseitigen ersten Systemfläche S1 der schwach positiven ersten Linse L1-1 und der konvexen, austrittsseitigen letzten Systemfläche S10 der austrittsseitigen Positivlinse besteht ein Abstand L, der die physikalische Baulänge des Fourieroptiksystems angibt. Zwischen der austrittsseitigen letzten Systemfläche S4 der ersten Linsengruppe LG-1 und der eintrittsseitigen ersten Systemfläche S5 der zweiten Linsengruppe besteht ein Gruppenabstand d_G, der um ein Vielfaches größer ist als die entsprechend definierten Gruppenbaulangen der Linsengruppe LG-1 bzw. der zweiten Linsengruppe LG-2.
Bei dem Fourieroptiksystem 500 befindet sich die Eintrittsebene bzw. Senderebene 510 im vorderen Brennpunkt des Fourier-optischen Übertragers 500, während sich die Austrittsebene bzw. Empfängerebene 520 im hinteren Brennpunkt des Übertragers 500 befindet. Damit entspricht der Abstand A zwischen Eintrittsebene und Austrittsebene den Brennebenenabstand des optischen Systems.
Das Ausführungsbeispiel hat einen Brennebenenabstand A = 1.750 mm und eine Baulänge L = 1665 mm. Der Gruppenabstand d_G zwischen den Linsengruppen LG1, LG2 beträgt 1.254 mm. Das Fourieroptiksystem hat eine Brennweite f_FOS von 25.000 mm. Es gilt folgende Brechkraftverteilung in Dioptrien [m^–1]: L1-1: 2.0; L1-2: –4.0; L2-1: –30; L2-2: 2.50; L2-3:2.50; Gesamtbrechkraft: 0.040.
Diese Werte belegen exemplarisch eine erste Besonderheit dieses Typs eines Fourieroptiksystems. Bekanntlich führt eine dünne Positivlinse eine Fouriertransformation zwischen seiner vorderen Brennebene und seiner hinteren Brennebene mit einer Brennweite f aus, wobei dann der Abstand zwischen vorderer und hinterer Brennebene dem doppelten der Brennweite entspricht, also einem Brennebenenabstand 2f. Bei einer Brennweite von 25.000 mm (wie bei der Ausführungsform des Fourieroptiksystems 500) würde sich somit ein Brennebenenabstand von 50.000 mm ergeben. Der Brennebenenabstand A = 1.750 mm des Ausführungsbeispieles ist demgegenüber um ein Vielfaches kleiner, so dass das Fourieroptiksystem im Vergleich zu seiner großen Brennweite axial sehr kompakt gebaut ist. Dies ist eine der Voraussetzungen, die es er möglichen, ein solches Fourieroptiksystem in ein Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage zu integrieren.
Weitere, bei der Auslegung eines Fourieroptiksystems zu berücksichtigende Randbedingungen ergeben sich daraus, dass das Fourieroptiksystem innerhalb des Beleuchtungssystems einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage als Strahlführungssystem für hochenergetische Laserstrahlung arbeiten soll. Innerhalb des Fourier-optischen Systems wird die zu übertragende Leistung durch optische Elemente mit relativ kleiner Fläche geführt, was hohe lokale Strahlungsleistungen zur Folge hat. Das für die Linsen verwendete optische Material kann jedoch bei Überschreiten materialspezifischer Grenzwerte unter Strahlungsbelastung degradieren. Um eine Degradation der Linsen zu vermeiden, sollte die energetische Belastung der Linsen, beispielsweise gemessen als Energiedichte in [mJ/cm²], möglichst gering gehalten werden bzw. für jede Linse unter einen materialspezifischen Schwellwert liegen. Komponenten, die dauerhaft einer höheren Strahlungsbelastung ausgesetzt sind, müssten dagegen unter Umständen während Lebensdauer des optischen Systems getauscht werden.
Um eine strahlungsbedingte Degradation der Linsen zu vermeiden, könnte das System so aufgebaut werden, dass sich die optischen Elemente nicht an den engsten Einschnürungen des energetischen Flusses befinden, was auch als Anforderung formuliert werden kann, dass die bestrahlte Fläche auf den jeweiligen Linsen nicht zu klein werden darf. Grundsätzlich wäre es möglich, mit zunehmendem Abstand zwischen Senderebene und Empfängerebene, also mit größerem Bauraum, die bestrahlten Querschnitte größer zu gestalten, um auf diese Weise über den Schwellwerten liegende Belastungen zu vermeiden. Jedoch sollte, wie oben ausgeführt, der Abstand zwischen Senderebene und Empfängerebene, und damit der vom Fourieroptiksystem benötigte Bauraum, möglichst klein gehalten werden, was wiederum die Gefahr von starker Strahlungsbelastung einzelner Linsen erhöht. Somit stellen die Baulänge des Fourieroptiksystems und die Lebensdauer dieses Fourier-optischen Übertragers bei Betreiben mit hoher energetischer Strahlung einander widersprechende Anforderungen dar. Es bedarf daher besonderer Überlegungen, um zu Anordnungen von Brechkräften in einem begrenzten Bauraum zwischen einem vorderen und einem hinteren Brennpunkt eines Fourieroptiksystems zukommen, welche gleichzeitig die lokalen Strahlungsleistungen auf Werte unterhalb von materialspezifischen Grenzwerten begrenzt.
Ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Anordnung von Brechkräften unter Berücksichtigung der systemspezifischen Schwellwerte für die Strahlungsbelastung wird im Folgenden näher erläutert. Dabei wird das optische System mit Hilfe von Parametern im sog. Diagramm von Delano (Delano-Diagramm) beschrieben und diese Beschreibung wird mit einem die Strahlungsbelastung berücksichtigenden Belastungsmodell verknüpft. Die Beschreibung optischer Systeme mit Hilfe von Delano-Diagrammen ist an sich bekannt und wird nachfolgend im Zusammenhang mit den 6 bis 8 erläutert, soweit dies für den vorliegenden Anwendungsfall nützlich erscheint. Grundlagen zu Delano-Diagrammen können beispielsweise dem Fachartikel „First order Design and the y-ybar diagram" von E. Delano, Applied Optics, Vol. 2, No. 12, Dezember 1963 entnommen werden.
In Delano-Diagrammen werden allgemein die Strahlhöhen oder Strahlwinkel zweier ausgesuchter Strahlen, nämlich eines Aperturstrahls und eines Feldstrahls dargestellt. Der Aperturstrahl kann beispielsweise der Blendenrandstrahl (kurz: Randstrahl) und der Feldstrahl kann beispielsweise der Blendenmittenstrahl sein. Liegt die Aperturblende auf der Hauptfläche, so entspricht der Blendenmittenstrahl dem Hauptstrahl (chief ray, principal ray), die Hauptflächen sind dann gleichzeitig Einritts- und Austrittspupille. Liegt dagegen die Aperturblende in der vorderen Brennebene, so ist der Blendenmittenstrahl der Brennpunktstrahl. Die Austrittspupille liegt dann im Unendlichen.
6 zeigt schematisch den paraxialen Strahlengang eines Referenzstrahls (reference ray) RR und eines Randstrahls (marginal ray) MR eines Strahlbündels durch eine Linse L mit Brennweite f zwischen der Eintrittspupille EP und der Empfängerebene IM. Als Referenzstrahl wird hier ein Strahl verwendet, der von einem Randpunkt des Objektfeldes oder des dazu optisch konjugierten Empfängerfeldes verläuft und die optische Achse im Bereich der Eintrittspupille oder einer dazu optisch konjugierten Pupillenebene schneidet. Ein Randstrahl führt vom Schnittpunkt der optischen Achse mit der Objektebene oder der dazu optisch konjugierten Bildebene zum äußeren Rand der Aperturblende bzw., in der Darstellung von 6, zum äußeren Rand der Eintrittspupille. Der senkrechte Abstand dieser Strahlen von der optischen Achse ergibt die entsprechenden Stahlhöhen, die als Referenzstrahlhöhe bzw. Randstrahlhöhe (marginal ray height) bezeichnet werden. In einem Delano-Diagramm wird die (paraxiale) Hauptstrahlhohe gegen die (paraxiale) Randstrahlhöhe in einem ebenen Diagramm aufgetragen, wobei die Hauptstrahlhöhe in x-Richtung (Abszisse) und die Randstrahlhöhe in y-Richtung (Ordinate) aufgetragen wird. In 7A und B ist das näher erläutert. Konventionell wird die Ordinate (Randstrahlhöhe) mit Parameter „y” und die Abszisse (x-Richtung) mit Parameter „ybar” bezeichnet. Der mit gestrichelter Linie gezeichnete Strahl A entspricht der Vektor-Addition von Referenzstrahl und Randstrahl und wird hier als „Delano-strahl” bezeichnet. Dieser Strahl entspricht in jeder Ebene senkrecht zur optischen Achse einem Punkt in der Ebene des Delano-Diagramms. Die Projektion dieses Strahles in die y-ybar-Ebene entspricht dem Delano-Diagramm (7B).
Aus dem Delano-Diagramm können einige Eigenschaften des optischen Systems direkt abgelesen bzw. relativ einfach berechnet werden. Die Objektebene bzw. die Bildebene entspricht dem Schnittpunkt mit ybar, da dort die Referenzstrahlhöhe maximal und die Randstrahlhöhe gleich Null ist. Eine Pupillenebene entspricht dem Schnittpunkt mit y, da hier die Referenzstrahlhöhe Null ist. Ein Linsendurchmesser, d. h. der optisch freie Durchmesser einer Linse (oder eines Spiegels) entspricht der Betragssumme |y| + |ybar|. Die Brechkraft einer optischen Fläche einer Linse oder eines Spiegels entspricht einer Richtungsänderung (vgl. 7A). Der axiale Abstand d zwischen zwei Linsen entspricht der Fläche eines Dreiecks, welches zwischen dem Ursprung des Delano-Diagramms und den durch die Linsen definierten Punkten aufgespannt ist (siehe 8).
Zusätzlich zu diesen an sich bekannten Eigenschaften kann auch die Strahlungsbelastung von Linsen bzw. optischen Elementen im Delano-Diagramm dargestellt werden, was in Zusammenhang mit 9ff noch näher erläutert wird. Für die belastungsoptimierte Anordnung von Linsen innerhalb eines optischen Systems sind der axiale Abstand zwischen den Linsen und die energetische Belastung der Linsen wesentliche Parameter, deren Verknüpfung weiter unten noch näher erläutert wird.
8 illustriert, dass der geometrische axiale Abstand d zweier Punkte (y₁, ybar₁) und (y₂, ybar₂), die durch eine Gerade im Delano-Diagramm verbunden sind, proportional zu der dreieckigen Fläche ist, die zwischen diesen Punkten und dem Ursprung aufgespannt wird. Der axiale Abstand d lässt sich wie folgt bestimmen:
In dieser Gleichung ist H die dem geometrischen Lichtleitwert LLW (geometrical flux, etendue) entsprechende Lagrange-Invariante, n der Brechungsindex zwischen den Punkten und y_i bzw. ybar_i sind die Koordina ten der entsprechenden Flächen im Delano-Diagramm. Die Determinante der Matrix entspricht der Dreiecksfläche.
Aus den Strahlhöhen für Referenzstrahl und Randstrahl wurde unter der Annahme homogener Energiequellen ein Belastungsmodell für die optischen Elemente des Systems abgeleitet. Dies wird anhand der 9ff näher erläutert. Zunächst sei die Ableitung in einem eindimensionalen Fall (1D) erläutert, wobei der 1D-Fall beispielsweise einem System mit zylindrischen Linsen (Krümmung in nur einer Ebene) entspricht. Die integrale Leistung an einer beliebigen z-Position, d. h. an einer beliebigen Position entlang der optischen Achse, ist proportional zur Faltung der Hauptstrahlhöhe mit der Randstrahlhöhe. Ausgehend von zwei tophat-Belastungen ergibt die Faltung eine trapezförmige Belastung, deren 50%-Breite durch das Maximum Max(|y|, |ybar|) gegeben ist. Wegen der hier angenommenen Energieerhaltung innerhalb des Systems, die auch als Erhaltung des geometrischen Lichtleitwertes LLW beschreiben werden kann, ist die Trapezfläche von der z-Position unabhängig, d. h. A1 = A2 = ... = A_n. Aus der 50%-Breite B der Trapezflächen und der jeweiligen Trapezhöhe berechnet sich die Trapezfläche zu B·h. Mit B = Max(|y|, |ybar|) und h = P ist P·Max(|y|, |ybar|) = konstant für alle z-Positionen. Hier entspricht h = P der Peakbelastung der entsprechenden Fläche. Im zweidimensionalen Fall, d. h. bei Systemflächen mit Krümmungen in mehreren Richtungen (wie bei der sphärischen Optik) erhält man P·(Max(|y|, |ybar|))² = konstant, da die beiden Dimensionen separieren.
Im Delano-Diagramm stellen sich konstante Belastungen als ein Quadrat um den Ursprung dar (9B). Innerhalb des Quadrates sind die Belastungen höher, außerhalb geringer. Die Größe des Quadrates, die beispielsweise über die Kantenlänge oder die halbe Kantenlänge parametrisiert werden kann, ist somit ein Maß für die im Belastungsmodell zu berücksichtigende Belastungsschwelle, welche bei keiner der Systemflächen überschritten werden sollte. Das Belastungsmodell wird hier für ein konventionelles Beleuchtungssetting abgeleitet, kann aber auch auf andere Settings erweitert werden. Ebenso kann das Modell auch auf andere Intensitätsprofile, wie z. B. eine Gaussverteilung, erweitert werden.
Anhand der nachfolgenden Beispiele wird der Einfluss der Strahlungsbelastung auf die Baulänge und die Anzahl der Brechkräfte verdeutlicht. Gesucht sei beispielsweise ein Fourieroptiksystem mit einer Brennweite f = 25.000 mm, einem Eintrittspupillendurchmesser EPD = 36 mm, einer eintrittsseitigen numerischen Apertur NA_o = 0.0018, einer Baulänge L = 1.800 mm und einer durch die Linsenmaterialien bestimmten Belastungsschwelle mit Strahlungsbelastung < 20 mJ/cm². Das Fourieroptiksystem ist somit für einen geometrischen Lichtleitwert H = EPD/2·NA_o·n_o = 0.033 mm ausgelegt, wobei H das Produkt aus dem Radius EPD/2 der Eintrittspupille, der eintrittsseitigen numerischen Apertur NA_o und der eintrittsseitigen Brechzahl n_o ist.
10 zeigt das entsprechende Delano-Diagramm dieser F-Optik mit nur einer Brechkraft (Bk). Die Eintrittspupille ist an Position a, die Brechkraft Bk an Position b und die Bildebene an Position d. Das äußere Quadrat zeigt die Belastungsschwelle für 20 mJ/cm² für das 2D-Modell, das innere Quadrat für ein 1D-Modell. Die Baulänge dieses Fourieroptiksystems mit nur einer Brechkraft ist 50.000 mm, was dem Doppelten der Brennweite entspricht.
Wie im Zusammenhang mit 8 bereits erläutert, soll die Fläche, die der Delanostrahl zum Ursprung hin einbeschreibt, möglichst klein sein, wenn die Baulänge eines Systems möglichst kurz gestaltet werden soll. Ein Fourieroptiksystem mit zwei Brechkräften, d. h. mit Linsen an den Positionen a und d in 10, würde die Baulänge lediglich halbieren.
11 erläutert, dass mindestens drei Brechkräfte erforderlich sind, um die Baulänge wesentlich zu verkürzen. Hierzu zeigt 11 das Delano-Diagramm eines Fourieroptiksystems mit drei Brechkräften (3-Bk-Optik) in der Abfolge positive Brechkraft – negative Brechkraft – positive Brechkraft (pnp). Im Delano-Diagramm wird ersichtlich, dass sich eine kurze Baulänge und eine geringe Spitzenbelastung (Peakbelastung) gegenseitig behindern. Da keine der Linsenflächen innerhalb des äußeren Quadrates 2D angeordnet sein soll, wenn die Peakbelastung nicht überschritten werden soll, ergibt sich ein Minimalabstand, der dem Flächeninhalt des schraffierten Dreiecks proportional ist.
12 zeigt schematisch, das Delano-Diagramm eines Fourieroptiksystems mit vier Linsen (4-Bk-Optik) mit der Brechkraftfolge positiv-negativ-negativ-positiv zwischen Eintrittspupille und Bildebene. Dieses pnnp-System hat nur noch eine Baulänge von 1.600 mm, was dadurch erkennbar ist, dass die schraffierte Dreiecksfläche zwischen dem Ursprung und der Projektion des Delanostrahls wesentlich geringer ist als diejenige in 11 oder 10.
Aus der in Zusammenhang mit 8 erläuterten Abstandsformel für den Abstand d zwischen Linsen in Kombination mit dem Belastungsmodell kann abgeleitet werden, welcher minimale Abstand zwischen der pupillennahen Brechkraft a und der feldnahen Brechkraft b mindestens vorliegen muss, wenn das Fourieroptiksystem zur Übertragung eine Strahlungsenergie E pro Zeiteinheit bei einem Lichtleitwert ausgelegt ist und eine energetische Spitzenbelastung P auf den Linsenflächen nicht überschritten werden soll. In dieser Beschreibung sei n der Brechungsindex in Medium zwischen den Linsen, H die den geometrischen Lichtleitwert angebende Lagrange-Invariante gemäß H = EPD/2·NA_O·n₀[mm], E die Energie (in [J], welche durch das optische System transportiert werden soll und P die Peakbelastung auf den Linsen (in [J/mm²] für den zweidi mensionalen Fall (2D) und in [J/mm] für den eindimensionalen Fall (1D). Es ergibt sich dann für das zweidimensionale Belastungsmodell: d = n/H·E/(PaPb)1/2 (A2)und für das eindimensionale Belastungsmodell (z. B. für Zylinderlinsen) d = n/H·E2/(xaPaxbPb) (A3)
In (A3) geben die Parameter x_a bzw. x_b jeweils die Strahlausdehnung in die nicht gefaltete Richtung an.
Der Abstand d kann dem oben definierten Gruppenabstand d_G zwischen der austrittsseitigen letzten Systemfläche der ersten Linsengruppe und der eintrittsseitigen ersten Systemfläche der zweiten Linsengruppe entsprechen (vgl. 5).
Ein belastungsoptimiertes Fourieroptiksystem kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass die Belastung auf diesen energetisch besonders gefährdeten Linsen (Linse a entspricht der letzten Linse der eintrittsseitigen Linsengruppe LG1 und Linse b entspricht der ersten Linse der austrittseitigen Linsengruppe LG2) etwa gleichmäßig verteilt ist, so dass P_a ungefähr P_b ist. Auch eine ungleichmäßige Belastung der beiden Linsen ist möglich, solange die Einzelbelastungen nicht über dem Schwellwert liegen. Berücksichtigt man, dass der Gruppenabstand d_G den axialen Abstand zwischen den feldnahen Brechkräften der ersten Linsengruppe LG1 und den pupillennahen Brechkräften der zweiten Linsengruppe LG2 beschreibt, so kann ein Fourieroptiksystem mit sehr großer Brennweite und demgegenüber sehr geringer Baulänge dadurch geschaffen werden, dass im Wesentlichen der o. g. geringstmögliche Gruppenabstand zwischen den Linsengruppen eingestellt wird. Ein kürzerer Abstand wird immer eine höhere Belastung mindestens einer der beiden hochbelaste ten Linsen zur Folge haben, wodurch die Gefahr einer zu hohen Strahlungsbelastung der entsprechenden Linse und einer damit verbundenen Degradation der Linse zunimmt.
Bei der Auslegung von Fourieroptiksystemen zur Anwendung in Beleuchtungssystemen von Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen können in die o. g. Parameter beispielsweise in folgenden Bereichen liegen. Die Energie E, die durch das Fourieroptiksystem transportiert werden soll, kann beispielsweise im Bereich zwischen 2 mJ und 20 mJ liegen, insbesondere im Bereich zwischen 5 mJ und 10 mJ, beispielsweise bei ca. 7 mJ bis 8 mJ. Die Lagrange-Invariante H kann beispielsweise zwischen 0.01 mm und 0.2 mm liegen, insbesondere im Bereich zwischen 0.02 mm und 0.1 mm, beispielsweise im Bereich um 0,03 mm bis 0,05 mm.
Im Hinblick auf die sehr geringe Divergenz der zu übertragenden Strahlung an der Eintrittsseite des Fourieroptiksystems kann die Lagrange-Invariante auch unter Verwendung der Randstrahl- bzw. Referenzstrahlhöhen und Randstrahl- bzw. Referenzstrahlwinkel parametrisiert werden. Dann gilt H = n·(y·sin(ubar) – ybar·sin(u)), wobei n der Brechungsindex, y die Randstrahlhöhe, ybar die Referenzstrahlhöhe, u der Randstrahlwinkel und ubar der Referenzstrahlwinkel ist.
Die materialspezifischen Peakbelastungen P können bei Verwendung von Kalziumfluorid (CaF₂) als Linsenmaterial beispielsweise im Bereich zwischen 5 mJ/cm² liegen, insbesondere im Bereich um ca. 10 mJ/cm², während sie bei Verwendung von synthetischem Quarzglas (fused silica) beispielsweise im Bereich zwischen 0.2 mJ/cm² und 1.5 mJ/cm² liegen können, insbesondere im Bereich um ca. 0.5 mJ/cm². Die Peakbelastung kann in manchen Fällen, z. B. bei Verbesserung der derzeitigen Materialeigenschaften, auch hoher liegen. Beispielsweise kann es möglich sein, den Bereich der zulässigen Peakbelastung von Kalziumfluorid zu höheren Werten zu verschieben, z. B bis in den Bereich um ca.
20 mJ/cm² oder um ca. 40 mJ/cm² oder um ca. 80 mJ/cm².

Das soeben beschriebene Verfahren unter Verwendung von Delano-Diagrammen wurde verwendet, um den belastungsoptimierten Aufbau der Ausführungsform in 5 zu erhalten. Wichtige Daten dieses Ausführungsbeispiels können wie folgt zusammengefasst werden: Senderebene im vorderen Brennpunkt des Fourieroptiksystems

Durchmesser der Eintrittsfläche:	35 mm
Abstand zum ersten Element L1-1:	75 mm

Empfängerebene im hinteren Brennpunkt des Fourieroptiksystems

Durchmesser der Austrittsfläche:	100 mm
Abstand zum letzten Element L2-3:	10 mm
Abstand A zwischen Sender und Empfänger (entspricht Brennebenenabstand	1750 mm
Gruppenabstand d_G:	1254 mm
Brennweite f_FOS:	25000 mm
Verhältnis Baulänge L zu Brennebenenabstand A:	0.950
Verhältnis Gruppenabstand/Brennweite (d_G/f_FOS):	0.050
Verhältnis Baulänge/Brennweite (L/f_FOS):	0.075

In folgender Tabelle B sind die Flächenverhältnisse und Belastungsverhältnisse zusammengestellt: Tabelle B

	Durchmesser [mm]	Fläche [mm²]	Belastungsverhältnis normiert auf Belastung in Eintrittsfläche
Eintrittsfläche	35	1225	1
Fläche maximaler Belastung (kleinste Systemoberfläche)	12	144	< 9 fach
Austrittsfläche	100	10000	0.1225 fach

Zur Veranschaulichung zeigt 13 ein semi-quantitatives Diagramm, bei dem die flächenbezogene Strahlungsleistungsdichte S in [W/m²) für verschiedene ausgezeichnete Flächen des Systems in einem Balkendiagramm aufgetragen ist. Aus dem Diagramm ist unter anderem erkennbar, dass die Strahlungsleistungsdichte in der Eintrittsebene (Senderebene) 510 um einen Faktor 2 höher ist als in der dazu Fouriertransformierten Austrittsebene (Empfängerebene) 520, weil die durchstrahlte Fläche aufgrund der Strahlaufweitung entsprechend größer ist als in der Eintrittsebene. Die höchste Strahlungsbelastung tritt an der eintrittsseitigen Negativlinse L2-1 der zweiten Linsengruppe LG2 auf, auf die das Strahlungsbündel durch die Linsen der ersten Linsengruppe fokussiert wird. Die Strahlungsleistungsdichte an der höchstbelasteten Linse L2-1 ist jedoch trotz der sehr geringen Baulänge weniger als 9-fach so hoch wie die flächenbezogene Strahlungsleistungsdichte in der Eintrittsfläche, und sie liegt mit ca. 8.0 mJ/cm² deutlich unter der materialspezifischen Zerstörschwelle von ca. 10 mJ/cm² des verwendeten synthetischen Quarzglases.
Die Brechkraftfolge pnnp ist nicht die einzige Möglichkeit, ein Fourier-Optiksystem mit vergleichbarem Telefaktor TF = (L/f_FOS) aufzubauen. Weitere Varianten mit ähnlicher Baulänge sind mit den Brechkraftfolgen pppp, pnpp oder ppnp möglich.
14 zeigt entsprechende Delano-Diagramme. Sämtliche Beispiele sind unter den Randbedingungen f_FOS = 25.000 mm, EPD = 36 mm, NA_o = 0.0018 sowie einer Baulänge der zweiten Linsengruppe von weni ger als 250 mm gerechnet und für eine Maximalbelastung von 20 mJ/cm² ausgelegt. 14A zeigt das Delano-Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines 4-Linsen-Systems mit Brechkraftfolge pppp. Die Gesamtbaulänge beträgt 1.526 mm. 14B zeigt das Delano-Diagramm für einen 4-Linser mit Brechkraftfolge pnpp und Baulänge 1.576 mm. 14C zeigt das Delano-Diagramm für einen 4-Linser mit Brechkraftfolge ppnp und Baulänge 1.576 mm. Bei den Linsen handelt es sich jeweils um Einzellinsen.
Bekanntlich kann es in manchen Fällen günstig sein, eine Einzellinse in zwei oder mehr Linsen aufzuteilen, wobei dann die Brechkraft der entstehenden mehrlinsigen Linsengruppe im Wesentlichen der Brechkraft der Einzellinse entsprechen kann. Hierdurch sind zusätzliche Freiheitsgrade beispielsweise bei der Korrektur von Abberationen möglich. Weitere Varianten mit 5, 6 oder mehr Linsen und entsprechenden Brechkraftkombinationen sind entsprechend ebenfalls möglich. Die Systeme mit vier Einzellinsen stellen jedoch repräsentative Grundformen dar, um axial kompakte Systeme großer Brennweite mit relativ kleinem Telefaktor L/f_FOS aufzubauen, beispielsweise mit Telefaktor kleiner als 1/6 oder 1/8 oder 1/10.
Das Fourieroptiksystem 500 ist auf seiner Eingangsseite (Senderseite) und auf seiner Ausgangsseite (Empfängerseite) telezentrisch. Speziell um die Strahlung im Wesentlichen lotrecht durch die Austrittsebene (Empfängerebene) treten zu lassen, sind in der zweiten Linsengruppe LG2 drei Linsen vorgesehen, wobei die austrittsseitige letzte Linse L2-3 im Wesentlichen für die austrittsseitige Telezentrie sorgt.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind alle Linsenflächen sphärisch. Bei anderen Ausführungsformen hat mindestens eine der Linsen mindestens eine asphärisch geformte Linsenfläche. Insbesondere kann die der Austrittsebene nächste, austrittsseitige Linsenfläche S10 eine asphärische Form haben, insbesondere um wirksam zur austrittsseitigen Telezentrie beizutragen.
Um eine gleichmäßige Überlagerung der lokalen Strahlungsleistungen in der Austrittsebene zu erhalten, sollte die Abbesche Sinusbedingung wenigstens annähernd erfüllt sein. Bei merklichen Abweichungen von der Sinusbedingung kann es zur Varianz der lokalen Bestrahlungsstärken und damit zu einer nicht vollständigen Homogenisierung in der Austrittsebene kommen. Es hat sich gezeigt, dass die Einhaltung der Sinusbedingung vereinfacht werden kann, wenn die Brechkraft des eintrittsseitigen Linsenelementes der zweiten Linsengruppe, d. h. der Linse L2-1, auf zwei oder mehr Linsenelemente verteilt wird. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die zweite Linsengruppe dementsprechend vier oder fünf Linsenelemente haben.
Im Folgenden wird anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels erläutert, dass es möglich ist, die oben beschriebenen Baulängenuntergrenze durch den Einsatz mindestens eines Paares von zwei zueinander orthogonal orientierten Zylinderlinsensystemen weiter zu reduzieren. 15 zeigt hierzu beispielhaft eine Perspektivdarstellung eines Fourieroptiksystems 1500, welches aus zwei hintereinander geschalteten Zylinderoptiksystemen Z1 und Z2 besteht. Das der Eintrittsfläche 1510 unmittelbar folgende ersten Zylinderoptiksystem Z1 besteht ausschließlich aus Zylinderlinsen, die in x-Richtung einen endlichen Krümmungsradius (und deshalb eine Brechkraft in der x-z-Ebene) haben, in der orthogonalen y-Richtung jedoch nicht gekrümmt sind und daher in y-Richtung (d. h. in der y-z-Ebene) keine Brechkraft haben. Diese Zylinderlinsen werden hier auch als „x-Linsen” bezeichnet. Das nachgeschaltete zweite Zylinderlinsensystem Z2 hat ausschließlich Linsen mit endlichem Krümmungsradius in y-Richtung und unendlichem Krümmungsradius in x-Richtung (y-Linse). Das mit x-Linsen aufgebaute erste Zylinderlinsensystem hat zwei zueinander beabstandete Linsengruppen LGX1, LGX2, zwischen denen ein Abstand besteht, der größer ist als die Teil-Baulange der Linsengruppen LGX1 bzw. LGX2. Die eintrittsseitige erste Linsengruppe LGX1 hat eine eintrittsseitige erste Linse L1X-1 mit positiver Brechkraft und eine austrittsseitige zweite Zylinderlinse L1X-2 mit negativer Brechkraft. Die mit großem Abstand dahinter angeordnete zweite Linsengruppe LGX2 hat eine eintrittsseitige erste Linse L2X-1, deren Brechkraft auf zwei Linsenelemente aufgeteilt ist, sowie eine austrittsseitige zweite Linse L2X-2, deren Brechkraft auf zwei unmittelbar aufeinander folgende Zylinder-Meniskuslinsen mit positiver Brechkraft aufgeteilt ist. Anstelle der geteilten Linsen können jeweils auch Einzellinsen vorgesehen sein. Das in y-Richtung wirkende zweite Zylinderlinsensystem Z2 hat einen entsprechenden Aufbau mit eintrittsseitiger ersten Linsengruppe LGY1 und austrittsseitiger zweiter Linsengruppe LGY2 und Brechkraftfolge pnnp. Das erste Zylinderlinsensystem Z1 bewirkt eine Einschnürung der Strahlungsleistung des eintretenden Strahlbündels ausschließlich in x-Richtung, während das nachgeschaltete zweite Zylinderlinsensystem ausschließlich in der dazu orthogonalen y-Richtung wirkt. Die eindimensionalen Brechkräfte sind so aneinander angepasst, dass bei einem eintrittsseitigen quadratischen Eingangsfeld auch das Ausgangsfeld wieder quadratisch ist. Im Folgenden wird erläutert, warum ein solcher Aufbau mit einer großen Anzahl von Zylinderlinsen unter Belastungsgesichtspunkten dennoch zu einem axial kompakteren Fourieroptiksystem führen kann als ein Aufbau mit rotationssymmetrischen Linsen.
16 zeigt hierzu beispielhaft eine schematische Darstellung eines links gezeigten Eingangsfeldes mit quadratischer Querschnittsfläche, welches durch ein Fourieroptiksystem FOS in ein rechts gezeigtes Ausgangsfeld übertragen wird. Das Eingangsstrahlbündel habe einen quadratischen Querschnitt mit Kantenlänge 2a und eine Divergenz DIV, welche dem doppelten der numerischen Apertur NA des Strahlbündels entspricht (DIV = 2 NA). Wie oben erläutert, ist es möglich, die unter Strah lungsbelastungs-Gesichtspunkten minimal zulässige Baulänge unter Verwendung von Delano-Diagrammen zu bestimmen. 5 zeigt ein einfaches Beispiel für ein solches Fourieroptiksystem mit pnnp-Aufbau und fünf Linsen. Dabei entspricht p einer Linse mit positiver Brechkraft und n einer Linse mit negativer Brechkraft. (Für Fälle, bei denen die Telezentrie des Ausgangsfeldes keine Rolle spielt, wie unter Umständen bei Fotoobjektiven, kann auf die ausgangsseitig letzte Linse mit positiver Brechkraft auch verzichtet werden, so dass sich ein pnn-Aufbau ergibt).
17 zeigt ein vereinfachtes Delano-Diagramm für ein Fourieroptiksystem mit den Anforderungen aus 15 mit vier Linsen (pnnp). Linsen innerhalb des schraffierten Bereiches „sehen” eine energetische Belastung, die größer als oder gleich ξI_o ist. Der Parameter ξ ist somit ein Parameter, der die materialspezifische Belastungsobergrenze des Linsenmaterials beschreibt. Die durch das System hindurch transportierte Gesamtleistung P sei konstant, es gelte I₀ = P/4a².
Aus Vereinfachungsgründen werde im Folgenden von einem isotropen Eingangsstrahlungsfeld mit homogener Intensitätsverteilung I₀ ausgegangen, d. h. jedes Flächenelement der Eintrittsfläche „sieht” die gleiche Intensität I₀. Weiterhin sei von einer tophatförmigen Winkelverteilung ausgegangen, was im Wesentlichen bedeutet, dass eine gleichmäßige Strahlwinkelverteilung zwischen einem minimalen Strahlwinkel und einem maximalen Strahlwinkel vorliegt. Unter diesen Annahmen lässt sich für rotationssymmetrische optische Systeme die maximale Intensität in jeder Ebene entlang der optischen Achse gemäß der folgenden Gleichung (B1) berechnen:
Dabei ist max(y, y) das Maximum der beiden Koordinaten im Delano-Diagramm und stellt ein Maß für die Strahlausdehnung dar. Ist die Belastungsobergrenze ausgedrückt durch die Intensität des Eingangsstrahls gegeben durch I_max = ξ·I₀, dann ergibt sich nach Einsetzen in Gleichung (B1) im Delanodiagramm ein für Linsen verbotener Bereich mit quadratischer Form und der halben Kantenlänge a/√ξ um den Ursprung (siehe schraffierter Bereich in 17). Die Baulänge der im Delano-Diagramm dargestellten Optik ist dann durch folgende Gleichung (B2) darstellbar:
wobei der Index i über die Knoten im Delano-Diagramm und somit über alle Linsen läuft. Daher hat beispielsweise ein Fourieroptiksystem mit vier Linsen mit der geringsten Baulänge seine Knotenpunkte im Delano-Diagramm bei (0, a/√ξ) und (a/√ξ, 0). Ein solches idealisiertes Optiksystem nötigt daher nur Bauraum zwischen der austrittsseitigen letzten Linse der ersten Linsengruppe und der eintrittsseitigen Linse der zweiten Linsengruppe, wobei sich dieser Bauraum gemäß Gleichung (B2) wie folgt ergibt:
Dieser Abstand d entspricht dem minimalen Gruppenabstand d_G. Im Falle eines optischen Systems aus Zylinderoptiken, wie es schematisch in 15 gezeigt ist, wird der Strahlengang bei einem System mit vier Linsen entsprechend dem obigen Beispiel nur in einer Dimension eingeschnürt. Das hat zur Folge, dass die Strahlungsbelastung nur linear mit der Strahleinschnürung ansteigt. In Delano-Koordinaten ausgedrückt, lässt sich die maximale energetische Belastung entlang der optischen Achse dann wie folgt berechnen:
Ein Vergleich mit Gleichung (B1) zeigt, dass hier die Kantenlänge a nicht quadratisch, sondern nur linear eingeht. Damit ergibt sich ein aus energetischen Gründen „verbotener” Bereich für Linsen im Delano-Diagramm mit der halben Kantenlänge σ/ξ und somit eine Abstands-Untergrenze von
Um jedoch ein Strahlbündel mittels Zylinderoptiken in beiden zueinander orthogonalen Richtungen entsprechend zu formen, können hintereinander angeordnete Zylinderoptiken mit orthogonal ausgerichteten Krümmungsflächen vorgesehen sein. Da das Strahlungsbündel schon in einer Richtung geformt wurde, ändert sich die Belastungsgrenze im Delano-Diagramm für die zweite Zylinderoptik zu a²/bξ. Somit ergibt sich eine minimale Baulänge gemäß:
Damit ergibt sich ein Verhältnis der Baulängen der herkömmlichen rotationssymmetrischen Optik (angegeben durch den minimalen Gruppenabstand d bzw. d_G) und derjenigen mit zwei zueinander orthogonalen Zylinderoptiken (angegeben durch d (1) / Zylinder + d (2) / Zylinder:
Daraus ergibt sich folgendes Ergebnis: Obwohl im Falle der Verwendung von Zylinderoptiken zwei Fourieroptiksysteme für die beiden Raumrichtungen (x- und y-Richtung) nacheinander angeordnet sein müssen, ist die Gesamtbaulänge für große Werte von ξ, d. h. für große Belastungsobergrenzen, kürzer als im Fall eines rotationssymmetrischen Fourieroptiksystems. Haben beispielsweise das Eingangsfeld und das Ausgangsfeld die gleiche Größe (a = b), dann ist das System mit Zylinderoptiken für ξ > 2 kürzer.
Im Allgemeinen wird die gesamte Baulänge etwas größer sein als die hier unter vereinfachenden Annahmen dargestellten Verhältnisse. Hierbei spielt es einerseits eine Rolle, dass auch ein gewisser Bauraum zwischen den Linsen innerhalb einer Linsengruppe (d. h. z. B. zwischen Linsen L1-1 und L1-2 sowie zwischen L2-1 und L2-2) nötig ist. Es ist auch zu berücksichtigen, dass jedes Zylinderoptiksystem eine der Baulänge ihrer orthogonalen optischen Systeme entsprechende Eingangsschnittweite bzw. Ausgangsschnittweite benötigt. Dennoch kann ein Fourieroptiksystem mit einer Abfolge von mindestens zwei Paaren von orthogonal ausgerichteten Zylinderoptiksystemen bei gleicher Gesamtbrennweite unter Umständen axial kürzer ausgelegt werden als ein Rundoptiksystem (rotationssymmetrisches System) gleicher Brennweite.
Zur Demonstration der Verhältnisse wird in Zusammenhang mit den 18 bis 20 ein Vergleichsfall quantitativ erläutert. Für dieses Beispiel gelte a = 18 mm, NA = 0.0018, b = 18 mm und ξ = 3. 18 zeigt das entsprechende Delano-Diagramm eines rotationssymmetrischen Fourieroptiksystems mit vier Linsen und Linsenfolge pnnp. Das System hat eine Gesamtbaulänge von 3692 mm. Bei einem Gesamtaufbau mit Zylinderopti ken ergibt sich folgendes Bild. 19 zeigt ein Delano-Diagramm einer ersten Zylinderoptik mit langer Ausgangsschnittweite, welche in Bestrahlungsrichtung vor einer zweiten Zylinderoptik (20) angeordnet ist. Die erste Zylinderoptik hat eine Baulänge von 1383 mm und eine Ausgangsschnittweite von 1469 mm. Die zweite Zylinderoptik, deren Delano-Diagramm in 20 dargestellt ist, hat eine Baulänge von 1386 mm und eine Eingangsschnittweite von 1466 mm. Damit ergibt sich eine Gesamtbaulänge des mit Zylinderoptiken aufgebauten Fourieroptiksystems von 2852 mm, was somit ungefähr um einen Faktor 1.3 kürzer ist als die rotationssymmetrische Optik gleicher optischer Leistung.
Die Aufteilung in zwei hintereinander angeordnete „reine” Zylinderlinsensysteme (d. h. Systeme nur mit x-Linsen bzw. nur mit y-Linsen aufgebaut) ist nicht zwingend. Die Zylinderlinsen können auch verschachtelt angeordnet sei, so dass sich x-Linsen und y-Linsen ggf. mehrfach abwechseln können. Dadurch kann ggf. die Baulänge weiter verkürzt werden. Beispielsweise ist ein Aufbau mit Brechkraftfolge p_x/n_x/n_x/ p_y/p_x/n_y/n_y/p_y möglich, wobei z. B. p_y eine y-Linse mit positiver Brechkraft bezeichnet.
Weitere Ausführungsbeispiele für Fourieroptiksysteme mit rotationssymmetrischen Linsen werden im Folgenden anhand der 21 bis 24 beschrieben.
Das Fourieroptiksystem 2100 in 21 hat genau sechs Linsen, die in zwei mit Abstand d_G zueinander angeordneten Linsengruppen LG1, LG2 angeordnet sind. Die eintrittsseitige erste Linsengruppe LG1 hat in dieser Reihenfolge eine eintrittsseitige erste Linse L1-1 in Form einer bikonvexen Positivlinse mit asphärischer Eintrittsfläche sowie zwei austrittsseitige zweite Linsen, nämlich eine auf der Eintrittsseite konkave und auf der Austrittsseite plane Negativlinse L1-2 und eine beidseitig konkave Negativlinse L1-3. Die mit großem Abstand d_G dahinter ange ordnete zweite Linsengruppe LG2 hat eine eintrittsseitige erste Linse (Bikonvexlinse) L2-1 mit positiver Brechkraft sowie zwei austrittsseitige zweite Linsen, nämlich eine bikonvexe Positivlinse L2-2 und eine austrittsseitige bikonvexe Positivlinse L2-3, welche die austrittsseitige letzte Linse des Fourieroptiksystems bildet.

Die unmittelbar auf die Eintrittsebene folgende erste Linse L1-1 besteht aus synthetischem Quarzglas (SiO₂), während alle anderen Linsen aus strahlungsfesterem Kalziumflourid (CaF₂) bestehen. Die asphärische Eintrittsfläche dieser Linse ist im Wesentlichen für die Korrektur der sphärischen Aberration ausgelegt. Zwischen den bikonvexen Positivlinsen L2-1 und L2-2 der zweiten Linsengruppe wird ein Zwischenbild IMI gebildet. Wird berücksichtigt, dass die Linsen L1-2 und L1-3 jeweils Negativlinsen sind, während die Linsen L2-1 und L2-2 jeweils Positivlinsen sind, ergibt sich für dieses System die Brechkraftfolge pnpp. Wie bei dem Fourieroptiksystem 500 befindet sich die Eintrittsebene bzw. Senderebene im vorderen Brennpunkt des Fourier-optischen Übertragers 2100, während sich die Austrittsebene bzw. Empfängerebene im hinteren Brennpunkt des Übertragers befindet. Das System hat eine Baulänge 1 = 1617,4 mm und einen Gruppenabstand d_G zwischen den Linsen gruppe LG1 und LG2 von 1180 mm. Das Fourieroptiksystem hat eine Brennweite f_FOS von 10.000 mm. Die Systemdaten sind in Tabelle C analog zu den Angaben in Tabelle A angegeben. Tabelle C

Gruppe	Element	Abstand d [mm]	Fläche	Radius R [mm]	Form	Dicke [mm]	Material
LG1	L1-1		S1	125,20	konvex + Asphäre	10	SiO2
			S2	233,83	konvex
		44,25
LG1	L1-2		S3	169,06	konkav	5	CaF2
			S4	0,00	plan
		53,35
LG1	L1-3		S5	107,86	konkav	4	CaF2
			S6	74,20	konkav
		1185,40
LG2	L2-1		S7	29,33	konvex	4	CaF2
			S8	158,59	konvex
		105,04
LG2	L2-2		S9	83,09	konvex	4	CaF2
			S10	39,05	konvex
		187,35
LG2	L2-3		S11	297,15	konvex	15	CaF2
			S12	295,21	konvex

Asphärenkoeffizienten

Fläche	K	C₄	C₆	C₈
S1	–4,3329	2,4307E-07	–3,0547E-11	–1,3903E-15

Der untere Teil der Tabelle C gibt die Asphärendaten der asphärischen Eintrittsfläche S1 der Linse L1-1 an. In dieser Anmeldung werden die asphärischen Flächen nach folgender Vorschrift berechnet: p(h) = [((1/r)h2)/(1 + SQRT(1 – (1 + K)(1/r)2h2)] + C4·h4 + C6·h6 + ....
Dabei gibt der Kehrwert (1/r) des Radius die Flächenkrümmung und h den Abstand eines Flächenpunktes von der optischen Achse (d. h. die Strahlhöhe) an. Somit gibt p(h) die sogenannten Pfeilhöhe, d. h. den Abstand des Flächenpunktes vom Flächenscheitel in z-Richtung (Richtung der optischen Achse).

Tabelle D fasst wichtige Parameter zur weiteren Charakterisierung des Fourieroptiksystems 2100 zusammen. Hieraus ergibt sich insbesondere, dass der Telefaktor TF = L/f_FOS mit TF = 0,1617 mehr als doppelt so groß wie beim ersten Ausführungsbeispiel (5), was im Wesentlichen auf die gegenüber diesem Beispiel um den Faktor 2,5 reduzierter Brennweite zurückgeht, da die Baulängen im Wesentlichen in der gleichen Größenordnung liegen. Tabelle D

f FOS (Brennweite F-Optik)	10000
L	1617,4
dG	1180
dG/fFOS	0,118
L/fFOS (= TF)	0,1617
dG/L	0,72974644
Telezentrie	telezentrisch
LLW	0,0324
Typ	pnpp
Asphärische Flächen	1
Linsen	6
Material	SiO2 + CaF2

Das in Tabelle C dargestellte Ausführungsbeispiel ist eintrittsseitig und austrittsseitig telezentrisch und somit dafür ausgelegt, ein Eingangsstrahlbündel mit im Wesentlichen parallelen Strahlen in ein Ausgangsstrahlbündel mit wiederum im Wesentlichen parallelen Strahlen zu überführen. Fourieroptiksysteme der in dieser Anmeldung genannten Art können jedoch auch so ausgelegt werden, dass ein eintrittsseitiges konvergentes Strahlbündel oder ein eintrittsseitiges divergentes Strahlbündel in ein austrittsseitiges konvergentes Strahlbündel oder divergentes Strahlbündel oder paralleles Strahlbündel überführt werden oder dass ein eintrittsseitiges paralleles Strahlbündel in ein austrittsseitiges konvergentes Strahlbündel oder divergentes Strahlbündel überführt werden. Dies wird im Folgenden an einem Beispiel erläutert.
Stellt man beispielsweise unmittelbar hinter der Austrittsfläche eine Linse mit positiver (negativer) Brechkraft, so wird aus dem austrittsseitigen parallelen Strahlenbündel bei positiver Brechkraft dieser Linse ein konvergentes Strahlbündel und bei negativer Brechkraft dieser Linse ein divergentes Strahlenbündel. Die Brechkraft dieser zusätzlichen Linse kann auch in das austrittsseitige letzte optische Element (hier: L2-3) des Fourieroptiksystems integriert werden. Bei einer Modifikation des Fourieroptiksystems 2100 erhält man beispielsweise hinter der Austrittsfläche ein konvergentes Strahlenbündel, welches einer Linse mit einer Brennweite von 1000 mm entspricht, wenn der Radius der austrittsseitigen letzten Fläche (S12) von 295,21 mm auf 186,36 mm verkürzt wird. In entsprechender Weise kann man hinter der Austrittsfläche ein divergentes Strahlenbündel erhalten, welches einer Linse mit einer Brennweite von –1000 mm entspricht, wenn der Radius der austrittsseitigen letzten Fläche S12 von 295,21 mm auf 716,53 mm vergrößert wird.
Analog ist es auch möglich, das Fourieroptiksystem an ein konvergentes oder divergentes Eintrittsstrahlbündel anzupassen, indem man der eintrittsseitigen ersten Linse L1-1 eine zusätzliche Brechkraft gibt, die die konvergente bzw. divergente des einfallenden Strahlenbündels kompensiert. Somit können Fourieroptiksysteme der hier beschriebenen Art sowohl für konvergente als auch für parallele oder divergente Eingangsstrahlenbündel und auch für konvergente, parallele oder divergente Ausgangsstrahlenbündel in jeder gewünschten Kombination ausgelegt werden. Die Brennweite eines Fourieroptiksystems mit divergentem und/oder konvergentem Eingangsstrahlenbünden und/oder Ausgangsstrahlenbündel ist in gleicher Weise zu verstehen wie diejenige der entsprechenden kompensierten Fourieroptik mit parallelen Strahlbündel in der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche.
Das Fourieroptiksystem 2100 ist ähnlich wie das erste Ausführungsbeispiel auch im Hinblick auf die Strahlungsbelastung der besonders strahlungsgefährdeten innen liegenden Linsen und derart optimiert, dass die Strahlungsbelastung dieser Linsen unterhalb des für Kalziumflourid zu beachtenden Schwellwertes der Strahlungsbelastung bleibt. Zur Illustration zeigt 22 ein semi-quantitatives Diagramm, bei dem die flächenbezogene Strahlungsleistungsdichte für die verschiedenen Linsenflächen S1 bis S12 des Systems in einem Balkendiagramm aufgetragen ist. Aufgetragen sind nicht Absolutwerte, sondern Werte normiert auf die Strahlungsbelastung der eintrittsseitigen ersten Linsenfläche S1. Hieraus wird ersichtlich, dass auch die Linsenflächen S5 bis S8 der am weitesten innen liegenden Linsen L1-3 und L2-1 nur einer Strahlungsbelastung ausgesetzt sind, die maximal etwa dem 3-fachen der Strahlungsbelastung der Eintrittsfläche entspricht. Besonders auffällig ist die relativ gleichmäßige und gleichzeitig relativ geringe Belastung der Linsen L1-3, L2-1 und L2-2.
Anhand der 23 und 24 wird nun ein Ausführungsbeispiel mit sehr großer Brennweite (50 m) erläutert. Das Fourieroptiksystem 2300 in

23 hat genau vier Linsen, die in zwei mit Abstand zueinander angeordneten Linsengruppen LG1, LG2 angeordnet sind. Die eintrittsseitige erste Linsengruppe LG1 hat eine eintrittsseitige erste Linsen L1-1 mit konvexer, asphärischer Eintrittsfläche und konvexer Austrittsfläche (Positivlinse) sowie eine austrittsseitige zweite Linse L1-2 mit negativer Brechkraft, bei es sich um eine eintrittsseitig asphärische bikonkave Linse handelt. Die mit großem Gruppenabstand d_G dahinter angeordnete zweite Linsengruppe LG2 hat eine eintrittsseitige erste Linse L2-1 in Form einer bikonkaven Negativlinse und eine austrittsseitige Plankonvexlinse mit ebener Eintrittsfläche und asphärischer Austrittsfläche. Alle Linsen bestehen aus strahlungsresistentem Kalziumflourid. Die Systemdaten sind in Tabelle E analog zu den Angaben in Tabelle C angegeben. Tabelle E

Gruppe	Element	Abstand d [mm]	Fläche	Radius [mm]	Form	Dicke [mm]	Material
LG1	L1-1		S1	163,87	konvex + Asphäre	10	CaF2
			S2	1273,4	konvex
		178
LG1	L1-2		S3	53,85	konkav + Asphäre	5	CaF2
			S4	926,4	konkav
		1516
LG2	L2-1		S5	43,29	konkav	3	CaF2
			S6	80,35	konkav
		576,3
LG2	L2-2		S7	0	plan	25	CaF2
			S8	324,9	konvex + Asphäre

Asphärenkoeffizienten

Fläche	K	C₄	C₆	C₈
S1	0,34241	4,8982E-09	1,3071E-12	–1,6428E-15
S2	–7,6761	–5,2529E-06	5,6120E-09	–2,5781E-12
S3	–1,0823	–1,9477E-09	–1,3449E-14	5,0407E-19

Die Asphärenformen der asphärischen Flächen sind im Wesentlichen für die Korrektur des sphärischen Aberrationen und zur Korrektur von Koma und Verzeichnung ausgelegt.

Tabelle F fasst wichtige Parameter zur weiteren Charakterisierung des Fourieroptiksystems 2300 zusammen. Hieraus ergibt sich insbesondere, dass der Telefaktor TF = L/f_FOS mit TF = 0,046266 nur etwa 65% so groß wie beim ersten Ausführungsbeispiel (5), was im Wesentlichen auf die gegenüber diesem Beispiel um den Faktor 2 erhöhte Brennweite zurückgeht, während die Baulänge (2313,3 mm) nur um ca. 43% größer ist als beim ersten Ausführungsbeispiel. Tabelle F

f FOS (Brennweite F-Optik)	50000
L	2313,3
dG	1516
dG/fFOS	0,03032
L/fFOS (= TF)	0,046266
dG/L	0,65534086
Telezentrie	telezentrisch
LLW	0,0324
Typ	pnnp
Asphärische Flächen	3
Linsen	4
Material	CaF2

24 zeigt analog zu 23 die Strahlungsbelastung der einzelnen Flächen des Systems, jeweils normiert auf die Strahlungsbelastung der eintrittsseitigen ersten Linsenfläche S1. Es ist erkennbar, dass die Strahlungsbelastung der austrittsseitigen Negativlinse L1-2 der ersten Linsengruppe LG1 um etwa das 7,4-fache und diejenige der eintrittsseitigen Negativlinse L2-1 der zweiten Linsengruppe LG2 um ca. das 5,4-fache im Vergleich zur Eintrittsfläche überhöht ist. Durch Wahl des strahlungsresistenden Kalziumflourid als Linsenmaterial bleiben die Linsen dennoch unter der materialspezifischen Belastungsgrenze.

Tabelle G fasst die wesentlichen Daten der drei Ausführungsbeispiele übersichtlich zusammen. Tabelle G

	Fig 5	Fig. 21	Fig. 23
f FOS(Brennweite F-Optik)	25000	10000	50000
Belastung [mJ/cm²] CaF2
Belastung [mJ/cm²] SiO2
L (Baulänge)	1750	1617,4	2313,3
dG (Abstand LG1-LG2)	1254	1180	1516
dG/fFOS	0,05016	0,118	0,03032
L/fFOS (= TF)	0,07	0,1617	0,046266
dG/L	0,71657143	0,72974644	0,65534086
Telezentrie	telezentrisch	telezentrisch	telezentrisch
LLW	0,0324	0,0324	0,0324
Typ	pnnp	pnpp	pnnp
Asphärische Flächen	0	1	3
Linsen	5	6	4
Material	CaF2	SiO2 + CaF2	CaF2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2007/0165202 A1 [0007, 0070]
- WO 2005/026843 A2 [0007]
- US 6563556 [0008]
- US 2004/0265707 [0008]
- US 5343489 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „First order Design and the y-ybar diagram” von E. Delano, Applied Optics, Vol. 2, No. 12, Dezember 1963 [0088]

Claims

Beleuchtungssystem für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Beleuchtung eines Beleuchtungsfeldes mit dem Licht einer primären Lichtquelle mit: einer variabel einstellbaren Pupillenformungseinheit zum Empfang von Licht der primären Lichtquelle und zur Erzeugung einer variabel einstellbaren zweidimensionalen Intensitätsverteilung in einer Pupillenformungsfläche des Beleuchtungssystems, wobei die Pupillenformungseinheit ein Fourieroptiksystem zur Umwandlung eines durch eine Eintrittsebene des Fourieroptiksystems eintretenden Eintrittsstrahlbündels in ein aus einer Austrittsebene des Fourieroptiksystems austretendes Austrittsstrahlbündel aufweist, wobei das Fourieroptiksystem eine Brennweite f_FOS und eine zwischen einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche und einer austrittsseitigen letzten Systemfläche entlang einer optischen Achse gemessene Baulänge L hat und die Bedingung (L/f_FOS) < 1/6 gilt.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, worin die Bedingung (L/f_FOS) < 0.1 gilt.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, worin die Brennweite f_FOS des Fourieroptiksystems 10 m oder mehr und die Baulänge L weniger als 4 m beträgt beträgt.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem eine erste Linsengruppe mit einer eintrittsseitigen ersten Linse und einer austrittsseitigen zweiten Linse sowie eine der ersten Linsengruppe nachgeschaltete zweite Linsengruppe mit einer eintrittsseitigen ersten Linse und einer austrittsseitigen zweiten Linse umfasst, wobei zwischen einer aus trittsseitigen letzten Systemfläche der ersten Linsengruppe und einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche der zweiten Linsengruppe ein Gruppenabstand d_G besteht.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, worin zwischen der austrittsseitigen letzten Systemfläche der ersten Linsengruppe und der eintrittsseitigen ersten Systemfläche der zweiten Linsengruppe ein Gruppenabstand d_G besteht, für den die Bedingung d_G > 0.6·L gilt.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 4 oder 5, worin zwischen der austrittsseitigen letzten Systemfläche der ersten Linsengruppe und der eintrittsseitigen ersten Systemfläche der zweiten Linsengruppe ein Gruppenabstand d_G besteht, für den die Bedingung d_G < 0.12·f_FOS gilt.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem zur Übertragung einer Strahlungsenergie E pro Zeiteinheit bei einem Lichtleitwert H ausgelegt ist, P_A eine vorgebbare energetische Maximalbelastung der austrittsseitigen zweiten Linse der ersten Linsengruppe und P_B eine vorgebbare energetische Maximalbelastung der eintrittsseitigen ersten Linse der zweiten Linsengruppe ist und einen Gruppenabstand d_G zwischen einer austrittsseitigen letzten Systemfläche der ersten Linsengruppe und einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche der zweiten Linsengruppe nicht kleiner als ein minimaler Gruppenabstand d_G ^min ist, wobei für den minimalen Gruppenabstand gilt: dG min = n/H·E/(PaPb)1/2
Beleuchtungssystem nach Anspruch 7, worin der Gruppenabstand d_G zwischen d_G ^min und 3·d_G ^min liegt.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem für einen geometrischen Lichtleitwert 0.01 mm ≤ H ≤ 0.2 mm ausgelegt ist, wobei H das Produkt aus dem Radius EPD/2 der Eintrittspupille, der eintrittsseitigen numerischen Apertur NA_O und der eintrittsseitigen Brechzahl n_o ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem vier, fünf oder sechs Linsen hat.
Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 10, worin die eintrittsseitige erste Linsengruppe genau zwei Linsen hat.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem mindestens eine Linse mit mindestens einer asphärisch geformten Linsenfläche hat.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die der Austrittsebene nächste, austrittsseitige Linsenfläche des Fourieroptiksystems eine asphärische Form hat.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem eingangsseitig und ausgangsseitig telezentrisch ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem mindestens einen planen Umlenkspiegel umfasst.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem Z-förmig gefaltet ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Fourieroptiksystem mindestens ein Paar von gekreuzten Zylinderlinsensystemen aufweist, wobei ein Paar von gekreuzten Zylinderlinsensystemen ein erstes Zylinderlinsensystem mit mindestens einer in einer ersten Krümmungsebene gekrümmten ersten Zylinderfläche und ein zweites Zylinderlinsensystem mit mindestens einer in einer zweiten Krümmungsfläche gekrümmten zweiten Zylinderfläche hat, wobei die erste und die zweite Krümmungsebene senkrecht aufeinander stehen.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 17, worin das Fourieroptiksystem eine erste Zylinderlinsengruppe mit mehreren ersten Zylinderlinsen und eine nachgeschaltete zweite Zylinderlinsengruppe mit mehreren zweiten Zylinderlinsen aufweist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Pupillenformungseinheit eine dem Fourieroptiksystem vorgeschaltete Lichtmischeinrichtung aufweist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 19, worin die Lichtmischeinrichtung einen Wabenkondensor umfasst.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Pupillenformungseinheit eine Lichtmodulationseinrichtung zur steuerbaren Veränderung einer Winkelverteilung des auf die Lichtmodulationseinrichtung einfallenden Lichtbündels aufweist, und das Fourieroptiksystem zwischen der primären Lichtquelle und der Lichtmodulationseinrichtung angeordnet ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 21, worin die Lichtmodulationseinrichtung eine zweidimensionale Feldanordnung individuell ansteuerbarer Einzelelemente umfasst, mit deren Hilfe die Winkelverteilung der auftreffenden Strahlung veränderbar ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 21 oder 22, worin die Lichtmodulationseinrichtung eine Mehrfachspiegelanordnung (Multi-Mirror-Array, MMA) mit einer Vielzahl individuell ansteuerbarer Einzelspiegel umfasst.
Fourieroptiksystem zur Umwandlung eines durch eine Eintrittsebene des Fourieroptiksystems eintretenden Eintrittsstrahlbündels in ein aus einer Austrittsebene des Fourieroptiksystems austretendes Austrittsstrahlbündel, wobei das Fourieroptiksystem eine Brennweite f_FOS und eine zwischen einer eintrittsseitigen ersten Systemfläche und einer austrittsseitigen letzten Systemfläche entlang einer optischen Achse gemessene Baulänge L hat und die Bedingung (L/f_FOS) < 1/6 gilt.
Fourieroptiksystem nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch die Mermale des kennzeichnenden Teils von einem der Ansprüche 2 bis 18.
Lichtmischsystem zum Empfang von Licht einer primären Lichtquelle und zur Erzeugung einer im Wesentlichen homogenen zweidimensionalen Intensitätsverteilung in einer Beleuchtungsfläche, wobei das Lichtmischsystem ein Fourieroptiksystem nach einem der Ansprüche 24 oder 25 aufweist und dem Fourieroptiksystem eine im Winkelraum wirksame Lichtmischeinrichtung vorgeschaltet ist.
Lichtmischsystem nach Anspruch 26, worin die Lichtmischeinrichtung einen Wabenkondensor umfasst.
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage zur Belichtung eines im Bereich einer Bildfläche eines Projektionsobjektivs angeordneten strahlungsempfindlichen Substrats mit mindestens einem Bild eines im Bereich einer Objektfläche des Projektionsobjektivs angeordneten Musters einer Maske mit: einer primären Lichtquelle; einem Beleuchtungssystem zum Empfang des Lichtes der primären Lichtquelle und zur Formung von auf das Muster der Maske gerichteter Beleuchtungsstrahlung; und einem Projektionsobjektiv zur Abbildung der Struktur der Maske auf ein lichtempfindliches Substrat, wobei das Beleuchtungssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23 aufgebaut ist.