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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungsanlage, mit dem sich die Beleuchtungswinkelverteilung
des auf eine Maske auftreffenden Lichts verändern lässt.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Integrierte
elektrische Schaltkreise und andere mikrostrukturierte Bauelemente
werden üblicherweise hergestellt, indem auf ein geeignetes
Substrat, bei dem es sich beispielsweise um einen Silizium-Wafer
handeln kann, mehrere strukturierte Schichten aufgebracht werden.
Zur Strukturierung der Schichten werden diese zunächst
mit einem Photolack bedeckt, der für Licht eines bestimmten
Wellenlängenbereiches, z. B. Licht im tiefen ultravioletten Spektralbereich
(DUV, deep ultraviolet), empfindlich ist. Anschließend
wird der so beschichtete Wafer in einer Projektionsbelichtungsanlage
belichtet. Dabei wird ein Muster aus beugenden Strukturen, das auf einer
Maske angeordnet ist, auf den Photolack mit Hilfe eines Projektionsobjektivs
abgebildet. Da der Abbildungsmaßstab dabei im Allgemeinen
kleiner als 1 ist, werden derartige Projektionsobjektive häufig auch
als Reduktionsobjektive bezeichnet.
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Nach
dem Entwickeln des Photolacks wird der Wafer einem Ätzprozeß unterzogen,
wodurch die Schicht entsprechend dem Muster auf der Maske strukturiert
wird. Der noch verbliebene Photolack wird dann von den verbleibenden
Teilen der Schicht entfernt. Dieser Prozess wird so oft wiederholt,
bis alle Schichten auf den Wafer aufgebracht sind.
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Die
Leistungsfähigkeit der verwendeten Projektionsbelichtungsanlagen
wird nicht nur durch die Abbildungseigenschaften des Projektionsobjektivs, sondern
auch durch ein Beleuchtungssystem bestimmt, das die Maske beleuchtet.
Das Beleuchtungssystem enthält zu diesem Zweck eine Lichtquelle,
z. B. einen gepulst betriebenen Laser, sowie mehrere optische Elemente,
die aus dem von der Lichtquelle erzeugten Licht Lichtbündel
erzeugen, welche auf der Maske in Feldpunkten konvergieren. Die
einzelnen Lichtbündel müssen dabei bestimmte Eigenschaften
haben, die im Allgemeinen auf das Projektionsobjektiv abgestimmt
sind.
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Zu
diesen Eigenschaften zählt u. a. die Beleuchtungswinkelverteilung
der Lichtbündel, die jeweils auf einen Punkt in der Maskenebene
konvergieren. Mit dem Begriff Beleuchtungswinkelverteilung beschreibt
man, wie sich die gesamte Intensität eines Lichtbündels
auf die unterschiedlichen Richtungen verteilt, unter denen die einzel nen
Strahlen des Lichtbündels auf den betreffenden Punkt in
der Maskenebene fallen. Wird die Beleuchtungswinkelverteilung speziell
an das in der Maske enthaltene Muster angepasst, so lässt
sich dieses mit höherem Kontrast auf den mit Photolack
bedeckten Wafer abbilden.
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Häufig
beschreibt man die Beleuchtungswinkelverteilung nicht unmittelbar
in der Maskenebene, in welche die zu projizierende Maske eingebracht wird,
sondern als Intensitätsverteilung in einer Pupillenfläche,
die zu der Maskenebene in einer Fourier-Beziehung steht. Dabei wird
die Tatsache ausgenutzt, dass sich jedem Winkel zur optischen Achse, unter
dem ein Lichtstrahl eine Feldebene durchtritt, in einer Fourier-transformierten
Pupillenfläche ein von der optischen Achse aus gemessener
Radialabstand zuordnen lässt.
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Bei
einem sog. konventionellen Beleuchtungssetting ist beispielsweise
der in einer solchen Pupillenfläche ausgeleuchtete Bereich
eine zur optischen Achse konzentrische Kreisscheibe. Auf jeden Punkt
in der Maskenebene fallen somit Lichtstrahlen unter Einfallswinkeln
zwischen 0° und einem durch den Radius der Kreisscheibe
gegebenen Maximalwinkel. Bei sogenannten nichtkonventionellen Beleuchtungssettings,
z. B. annularer, Dipol- oder Quadrupolbeleuchtung, hat der in der
Pupillenfläche ausgeleuchtete Bereich die Form eines zur
optischen Achse konzentrischen Rings bzw. mehrerer einzelner Bereiche
(Pole), die beabstandet von der optischen Achse angeordnet sind.
Die zu projizierende Maske wird bei diesen nichtkonventionellen
Beleuchtungssettings somit ausschließlich schief beleuchtet.
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Bei
konventionellen oder annularen Beleuchtungssettings ist die Beleuchtungswinkelverteilung rotationssymmetrisch.
Bei der Quadrupolbeleuchtung ist die Beleuchtungswinkelverteilung
zwar nicht rotationssymmetrisch, jedoch werden die Pole in der Pupillenfläche
so ausgeleuchtet, dass die Beleuchtungswinkelverteilung eine vierzählige
Symmetrie hat.
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Im
Stand der Technik werden bisher zur Erzeugung von Multipol-Beleuchtungssettings
häufig diffraktive optische Elemente (DOE) verwendet, die je
nach gewünschtem Beleuchtungssetting unterschiedlich strukturiert
und austauschbar im Strahlengang des Beleuchtungssystems angeordnet
sind. Diese diffraktiven optischen Elemente legen eine Grundform
für die Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche
fest, welche danach mit rotationssymmetrische Baugruppen, beispielsweise
einer Zoom-Gruppe oder einer Axikon-Gruppe, verändert werden kann.
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Eine
Axikon-Gruppe besteht normalerweise aus zwei Axikon-Elementen, deren
Abstand entlang der optischen Achse verändert werden kann.
Das erste Axikon-Element hat eine plane Lichteintrittsfläche
und eine Lichtaustrittsfläche, die eine kegelförmige,
zur optischen Achse zentrierte Ausnehmung aufweist. Das zweite Axikon-Element
hat eine Lichteintrittsfläche mit einer kegelförmigen
Erhebung, die zur kegelförmigen Ausnehmung des ersten Axikon-Elements
komplementär ist. Die beiden Axikon-Elemente können
daher spaltfrei aneinander angefügt werden. In diesem Zustand
hat die Axikon-Gruppe die Wirkung einer plan-parallelen Platte.
Durch Verändern des Abstands der beiden Axikon-Elemente
wird das auftreffende Licht radial nach außen verlagert, ohne
dass die ursprüngliche Strahlrichtung verändert wird.
Daher werden derartige Axikon-Gruppen insbesondere zur einfachen
Erzeugung von Ringfeld-Beleuchtungssettings verwendet.
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Quadrupol-Beleuchtungssettings
können jedoch nicht nur mit diffraktiven optischen Elementen, sondern
auch mit refraktiven optischen Elementen erzeugt werden. So ist
etwa aus der
US 6 236
449 B1 eine Prismen-Gruppe bekannt, die zwei zueinander komplementäre
pyramidenförmige Flächen aufweist. Dadurch wird
ein homogenes Strahlenbündel in vier Teilbündel
aufgespalten, deren radialer Abstand von der optischen Achse durch
Verändern des Abstandes zwischen den Prismen verändert
werden kann.
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Die
US 5 986 744 und die
EP 0 660 169 A1 offenbaren
Beleuchtungssysteme mit Zylinderlinsen, mit denen sich der rechteckförmige
Querschnitt eines von einem Laser erzeugten Lichtbündels
derart verändern lässt, dass in der Pupillenfläche
die Intensitätsverteilung des Lichts in zwei orthogonalen
Richtungen gleiche Abmessungen hat.
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In
der Praxis hat sich gezeigt, dass die Verstellbarkeit von Zoom-
und Axikongruppen häufig noch nicht die gewünschte
Flexibilität bei der Einstellung der Beleuchtungswinkelverteilung
ermöglicht. Zwar kann durch Austauschen eines diffraktiven
optischen Elements eine im Prinzip unbegrenzte Zahl unterschiedlicher
Beleuchtungssettings erzeugt werden, jedoch ist dies jedes Mal mit
der Herstellung, dem Transport und dem Einbau eines solchen optimierten
diffraktiven optischen Elements verbunden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Beleuchtungssystem einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungsanlage anzugeben, mit dem sich die Beleuchtungswinkelverteilung
in der Maskenebene flexibler als bisher einstellen und verändern
lässt.
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Gelöst
wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Beleuchtungssystem
einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage mit einer
von dem Beleuchtungssystem zu beleuchtenden Feldebene, in der von
dem Beleuchtungssystem erzeugtes Licht eine Winkelverteilung aufweist,
und einer optischen Achse. Ferner umfasst das Beleuchtungssystem
eine Pupillenfläche, in der sich während des Betriebs
eine Intensitätsverteilung einstellt, welche die Winkelverteilung
des Lichts in der zu beleuchtenden Feldebene beeinflusst. Mit einem
astigmatischen refraktiven optischen Element, das auf einer Licht
ausgesetzten Seite eine optisch wirksame Fläche aufweist,
die zwei ebene und zueinander geneigte Teilflächen umfasst,
ist die Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche
durch Anordnen des optischen Elements an verschiedenen Positionen
entlang der optischen Achse astigmatisch veränderbar.
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Erfindungsgemäß werden
also astigmatische optische Elemente im Beleuchtungssystem zum gezielten
astigmatischen Verändern des Beleuchtungssettings verwendet.
Astigmatisch bedeutet, dass die optischen Elemente in zwei sowohl
zueinander als auch zur optischen Achse senkrechte Richtungen verschieden
wirken.
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Vorzugsweise
werden dabei als astigmatische Elemente astigmatische Prismen eingesetzt. Solche
Prismen erlauben es, ohne Verzerrungseffekte die Intensitätsverteilung
in der Pupillenfläche ausschließlich entlang einer
bestimmten Richtung zu verändern. Falls dennoch eine verzerrte
Intensitätsverteilung gewünscht ist, so können
gemäß einem derzeit nicht beanspruchten Aspekt
der Erfindung auch astigmatische optische Elemente mit gekrümmten
Flächen zum Einsatz kommen, die entlang von brechenden
Kanten aneinander angrenzen.
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Ferner
können die astigmatischen Elemente so angeordnet sein,
dass eine brechende Kante, an der die beiden Teilflächen
aneinander grenzen, die optische Achse schneidet. Dadurch werden
eingehende Lichtbündel mittig an der Singularität
der brechenden Kante aufgespalten und die bei den entstehenden Teilbündel
in unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Wird eine asymmetrische
Teilung des Lichtbündels gewünscht, so kann von
dieser Vorgabe abgewichen und die brechende Kante entsprechend der
gewünschten Teilung außerhalb der optischen Achse,
aber im Strahlengang des Beleuchtungssystems, angeordnet werden.
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Vorteilhaft
können die zwei Teilflächen beide zur optischen
Achse geneigt sein. Die beiden entstehenden Teilbündel
werden dann in entgegengesetzte Richtung abgelenkt. Bei gleichen
Neigungswinkeln zur optischen Achse ist die Ablenkung symmetrisch.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das astigmatische
Element eine optisch wirksame Fläche auf, die eine dritte
ebene Teilfläche umfasst, die senkrecht zu der optischen
Achse des Beleuchtungssystems angeordnet ist. Eine derartige Ausgestaltung
des optischen Elements ermöglicht es beispielsweise, dass
bestimmte Pole eines Multipol-Beleuchtungssettings astigmatisch
in der Pupillenfläche verlagert werden können,
ohne dass dabei andere Pole beeinflusst werden. Die nicht beeinflussten
Pole sind Teilbündeln des Lichts zugeordnet, welche die
senkrecht zur optischen Achse stehende dritte Teilfläche
durchdringen. Bei komplexeren Multipolbeleuchtungssettings kann
das astigmatische Element auch mehrere sowohl zur optischen Achse
geneigte als auch mehrere voneinander getrennte senkrechte Teilflächen
aufweisen.
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Erzeugt
werden kann ein Multipol-Beleuchtungssetting in jeder bekannten
Weise, z. B. mit Hilfe von diffraktiven optischen Elementen oder
entlang der optischen Achse verfahrbaren Prismenelementen.
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Vor
allem bei Beleuchtungssettings mit vier oder mehr Polen ist es vorteilhaft,
wenn die senkrecht zur optischen Achse angeordnete dritte Teilfläche zwischen
den zwei geneigten äußeren Teilflächen angeordnet
ist. Die beiden geneigten äußeren Teilflächen
können dann dazu verwendet werden, zwei gegenüberliegende
Pole in der Pupillenfläche zu verschieben. Die anderen
mittig zwischen den gegenüberliegenden Polen liegenden
Pole werden durch das optische Element nicht beeinflusst.
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Die
Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche kann
kontinuierlich oder stufenweise astigmatisch veränderbar
sein. Hierzu kann das optische Element beispielsweise durch eine
Verschiebeeinrichtung, die durch eine Gewindestange und entsprechende
Lager mit Innengewinde an den Linsenfassungen realisiert sein kann,
entlang der optischen Achse kontinuierlich verschoben werden. Eine
stufenweise Veränderbarkeit der Intensitätsverteilung wird
z. B. durch verschiedene Einschubpositionen entlang der optischen
Achse ermöglicht, an welchen das optische Element eingesetzt
werden kann.
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Die
oben besprochenen optischen Elemente zur Formung des von der Lichtquelle
kommenden Lichtbündels sind meist an Positionen im Strahlengang
des Beleuchtungssystems angeordnet, an denen die Lichtstrahlen parallel
zur optischen Achse verlaufen. Mit nur einem optischen Element,
das die Strahlen durch Refraktion aus ihrer Ursprungsrichtung ablenkt,
ist diese Parallelität zur optischen Achse nach Durchlaufen
dieses Elements im Normalfall nicht mehr gegeben. Daher ist es vorteilhaft,
wenn die Abweichung der Strahlrichtung nach dem ersten optischen
Element von einem nachfolgenden zweiten optischen Element wieder
korrigiert wird.
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Anstatt
eines einzelnen astigmatischen Elements verwendet ein vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel daher eine astigmatisches Strahlformungs-Gruppe,
die ein erstes astigmatisches refraktives optisches Element aufweist,
das auf einer Licht ausgesetzten Seite eine optisch wirksame Fläche hat,
die zwei ebene und zueinander geneigte Teilflächen umfasst.
Ein zweites astigmatisches refraktives optisches Element wirkt dabei
komplementär zu dem ersten astigmatischen refraktiven optischen
Element, indem es eine ursprüngliche, vor dem ersten optischen
Element gegebene Strahlrichtung des Lichts wiederherstellt. Die
Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche ist
durch Verändern des Abstands zwischen dem ersten optischen
Element und dem zweiten optischen Element entlang der optischen
Achse astigmatisch veränderbar.
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Vorzugsweise
sind die optisch wirksamen Flächen der beiden optischen
Elemente komplementär zueinander. Wird der Abstand zwischen
den optischen Elementen auf Null verringert, so dass sich die optisch
wirksamen Flächen flächig berühren, und sind
auch die den optischen wirksamen Flächen jeweils gegenüberliegenden
Flächen plan und senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet,
so hat die Strahlformungs-Gruppe in diesem Zustand die Wirkung einer
planparallelen Platte. In dieser Neutralstellung beeinflusst die
Strahlformungs-Gruppe die Intensitätsverteilung in der
Pupillenfläche nicht. Damit kann die astigmatische Wirkung
der Strahlformungs-Gruppe gewissermaßen ausgeschaltet werden.
In der Funktionsweise ähnelt eine solche Anordnung somit
der Funktionsweise einer konventionellen Axikon-Gruppe mit dem Unterschied,
dass die astigmatische Strahlformungs-Gruppe auftreffende Lichtbündel
nicht radial, sondern nur in eine Richtung senkrecht zur optischen
Achse verschiebt.
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Ordnet
man gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
zwei solche astigmatische Strahlformungs-Gruppen hintereinander
entlang der optischen Achse um 90° zueinander um die optische Achse
verdreht an, so bietet dies die Möglichkeit, Lichtstrahlen
in beiden zueinander und zur optischen Achse senkrechten Richtungen
unabhängig voneinander durch Verändern der Abstände
zwischen den einzelnen optischen Elementen der Strahlformungs-Gruppen
zu verlagern.
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Eine ähnliche
Flexibilität in der Veränderbarkeit der Pupillenausleuchtung
ist gegeben, wenn das Beleuchtungs system zusätzlich zu
einer astigmatischen Strahlformungs-Gruppe eine rotationssymmetrische
Axikon-Gruppe aufweist. Hierbei kann mit Hilfe einer astigmatischen
Strahlformungs-Gruppe in der Pupillenfläche eine gewünschte
astigmatische Lichtverteilung eingestellt und diese dann mit Hilfe der
Axikon-Gruppe weiter rotationssymmetrisch aufgeweitet werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es ferner, ein verbessertes Verfahren zum Abbilden
einer Maske mit Strukturen auf eine lichtempfindliche Schicht anzugeben.
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Bei
einem diese Aufgabe lösenden Verfahren wird zunächst
eine Strukturen enthaltende Maske und eine lichtempfindliche Schicht
bereitgestellt. Des Weiteren wird eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage
mit einem Beleuchtungssystem bereitgestellt, das eine von dem Beleuchtungssystem
zu beleuchtende Feldebene aufweist in der von dem Beleuchtungssystem
erzeugtes Licht eine Winkelverteilung hat. Ferner weist das Beleuchtungssystem
eine optische Achse, eine Pupillenfläche, in der sich während
des Betriebs eine Intensitätsverteilung einstellt, welche
die Winkelverteilung des Lichts in der von dem Beleuchtungssystem
zu beleuchtenden Feldebene beeinflusst, und ein astigmatisches refraktives
optische Element auf, mit dem die Intensitätsverteilung
in der Pupillenfläche durch Anordnen an verschiedenen Positionen
entlang der optischen Achse astigmatisch veränderbar ist.
Bevor die Maske auf die lichtempfindliche Schicht abge bildet wird,
wird in Abhängigkeit von den Strukturen der Maske eine astigmatische
Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche eingestellt.
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Dieses
Verfahren bietet die Möglichkeit, bei der Abbildung von
Strukturen auf eine lichtempfindliche Schicht in Abhängigkeit
von den Strukturen gezielt die zur Beleuchtung der Strukturen verwendete Beleuchtungswinkelverteilung
astigmatisch zu verändern, um das Abbildungsergebnis zu
verbessern. Erfindungsgemäß können dazu
astigmatische Prismen, aber auch entlang der optischen Achse verfahrbare Zylinderlinsen
verwendet werden. Beleuchtungssysteme mit verfahrbaren Zylinderlinsen
sind zwar an sich im Stand der Technik bekannt, jedoch werden die
Zylinderlinsen bislang nur dafür verwendet, einmalig einen
von einem Laser erzeugten rechteckigen Bündelquerschnitt
in einen quadratischen Bündelquerschnitt umzuwandeln. Eine
Verschiebung einer Zylinderlinse, um gezielt die Beleuchtungswinkelverteilung
für eine gegebene Maske zu optimieren, ist im Stand der
Technik nicht beschrieben.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht darin, dass vor dem Einstellen der Beleuchtungswinkelverteilung
mit Hilfe des Beleuchtungssystems eine an die gegebenen Strukturen
angepasste und mit Hilfe des Beleuchtungssystems einstellbare Winkelverteilung
des in der zu beleuchtenden Feldebene auftreffenden Lichts bestimmt
wird. Beispielsweise kann aufgrund von Erfahrungswerten aus den
gegebenen Strukturen berech net werden, welche Beleuchtungswinkelverteilung
für die Ausleuchtung der Strukturen geeignet ist. Da bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren die Beleuchtungswinkelverteilung
astigmatisch verändert werden kann, ohne dass für
jede neue astigmatische Beleuchtungswinkelverteilung ein neues diffraktives
optisches Element hergestellt, transportiert und eingebaut werden
muss, können kosteneffizient eine Vielzahl von verschiedenen
Masken optimal beleuchtet werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Verfahrensvariante werden, nachdem die Maske
auf die lichtempfindliche Schicht abgebildet wurde, die auf die
lichtempfindliche Schicht abgebildeten Strukturen mit einer Vorgabe
verglichen und die Abweichung von dieser bestimmt. Die Schritte
des Einstellens einer Winkelverteilung, des Abbilden auf die lichtempfindliche
Schicht und des Vergleichen mit der Vorgabe werden mit einer veränderten
astigmatischen Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche
solange wiederholt, bis die Abweichung von der Vorgabe ein gegebenes
Maß unterschreitet. Dies hat im Vergleich zu der Lösung
mit unterschiedlichen diffraktiven optischen Elementen den Vorteil,
dass die Beleuchtungswinkelverteilung zur Beleuchtung einer bestimmten
Struktur zeitnah optimiert werden kann. Damit können in
einer Art Trial-and-Error-Verfahren die optimalen Beleuchtungsparameter
bestimmt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
Darin zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte perspektivische Darstellung einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungsanlage;
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2 einen
Meridionalschnitt durch ein Beleuchtungssystem der in der 1 gezeigten
Projektionsbelichtungsanlage;
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3 eine
perspektivische Darstellung mehrerer von einer Pupillenfläche
ausgehender Lichtbündel;
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4a einen
vereinfachten Meridionalschnitt in der yz-Ebene eines Pupillenformungs-Objektivs
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
mit zwei astigmatischen Prismen-Gruppen;
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4b einen
vereinfachten Meridionalschnitt in der xz-Ebene des in 4a gezeigten
Pupillenformungs-Objektivs;
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5 eine
perspektivische Darstellung der in den Pupillenformungs-Objektiven
der 4a und 4b enthaltenen
astigmatischen Prismen-Gruppen;
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6a einen
vereinfachten Meridionalschnitt in der yz-Ebene eines Pupillenformungs-Objektivs
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit
einer astigmatischen Prismen-Gruppe und einer konventionellen Axikon-Gruppe;
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6b einen
vereinfachten Meridionalschnitt in der xz-Ebene des in 6a gezeigten
Pupillenformungs-Objektivs;
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7 eine
perspektivische Darstellung der in den Pupillenformungs-Objektiven
der 6a und 6b enthaltenen
astigmatischen Prismen-Gruppe;
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8a einen
vereinfachten Meridionalschnitt in der yz-Ebene eines Pupillenformungs-Objektivs
gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung mit einer
astigmatischen Zoom-Gruppe und einer konventionellen Axikon-Gruppe;
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8b einen
vereinfachten Meridionalschnitt in der xz-Ebene des in 6a gezeigten
Pupillenformungs-Objektivs.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 zeigt
in einer stark schematisierten perspektivischen Darstellung eine
Projektionsbelichtungsanlage 10, die für die lithographische
Herstellung mikrostruktu rierter Bauteile geeignet ist. Die Projektionsbelichtungsanlage 10 enthält
ein Beleuchtungssystem 12, das auf einer Maske 14 ein
schmales, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckiges
Beleuchtungsfeld 16 ausleuchtet. Andere Beleuchtungsfeldformen,
z. B. Ringsegmente, kommen selbstverständlich ebenfalls
in Betracht.
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Innerhalb
des Beleuchtungsfeldes 16 liegende Strukturen 18 auf
der Maske 14 werden mit Hilfe eines Projektionsobjektivs 20 auf
eine lichtempfindliche Schicht 22 abgebildet. Die lichtempfindliche Schicht 22,
bei der es sich z. B. um einen Photolack handeln kann, ist auf einem
Wafer 24 oder einem anderen geeigneten Substrat aufgebracht
und befindet sich in der Bildebene des Projektionsobjektivs 20.
Da das Projektionsobjektiv 20 im allgemeinen einen Abbildungsmaßstab β < 1 hat, werden die
innerhalb des Beleuchtungsfeldes 16 liegenden Strukturen 18 verkleinert
als Bereich 16' abgebildet.
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Bei
der dargestellten Projektionsbelichtungsanlage 10 werden
die Maske 14 und der Wafer 24 während
der Projektion entlang einer mit Y bezeichneten Richtung verfahren.
Das Verhältnis der Verfahrgeschwindigkeiten ist dabei gleich
dem Abbildungsmaßstab β des Projektionsobjektivs 20.
Falls das Projektionsobjektiv 20 eine Invertierung des
Bildes erzeugt, verlaufen die Verfahrbewegungen der Maske 14 und
des Wafers 22 gegenläufig, wie dies in der 1 durch
Pfeile A1 und A2 angedeutet ist. Auf diese Weise wird das Beleuchtungsfeld 16 in
einer Scanbewegung über die Maske 14 geführt,
so dass auch größere strukturierte Bereiche zusammenhängend
auf die lichtempfindliche Schicht 22 projiziert werden
können.
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Die 2 zeigt
in einem vereinfachten und nicht maßstäblichen
Meridionalschnitt Einzelheiten des Beleuchtungssystems 12.
Das Beleuchtungssystem 12 enthält eine Lichtquelle 26,
die Projektionslicht erzeugt. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei der Lichtquelle 26 um einen Excimer-Laser,
mit dem sich Licht im (tiefen) ultravioletten Spektralbereich erzeugen
lässt. Die Verwendung kurzwelligen Projektionslichts ist deswegen
vorteilhaft, weil sich auf diese Weise eine hohe Auflösung
bei der optischen Abbildung erzielen lässt. Gebräuchlich
sind Excimer-Laser mit den Lasermedien KrF, ArF oder F2,
mit denen sich Licht mit den Wellenlängen 248 nm, 193 nm
bzw. 157 nm erzeugen lassen.
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Das
von dem als Lichtquelle 26 verwendeten Excimer-Laser erzeugte
Licht ist stark gebündelt und divergiert nur schwach. Es
wird deswegen zunächst in einem Strahlaufweiter 28 aufgeweitet.
Bei dem Strahlaufweiter 28 kann es sich zum Beispiel um
eine verstellbare Spiegelanordnung handeln, welche die Abmessungen
des annähernd rechteckigen Lichtbündelquerschnitts
vergrößert.
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Das
aufgeweitete Lichtbündel durchtritt anschließend
einen Austauschhalter 30 für ein diffraktives
optisches Element 36 sowie ein Pupillenformungs-Objektiv 38,
mit dem eine erste Pupillenfläche 42 des Beleuchtungssystems 12 variabel
ausgeleuchtet werden kann. Verschiedene Ausführungsbeispiel
für geeignete Pupillenformungsobjektive werden weiter unten
mit Bezug auf die 4 bis 8 erläutert.
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Ein
diffraktives optisches Element 36 wird üblicherweise
vor allem dann in den Strahlengang eingeführt, wenn mehrere
Pole in der ersten Pupillenfläche 42 ausgeleuchtet
werden sollen. Hierzu wird ein diffraktives optisches Element 36 hergestellt,
das im Fernfeld die gewünschte mehrpolige Intensitätsverteilung
erzeugt. Ein solches diffraktives optisches Element 36 kann
z. B. als CGH (computer generated hologram, computergeneriertes
Hologramm) ausgebildet sein.
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In
oder in unmittelbarer Nähe der ersten Pupillenfläche 42 ist
ein optischer Integrator 48 angeordnet, bei dem es sich
zum Beispiel um eine Anordnung von Mikrolinsen-Arrays handeln kann.
Jede Mikrolinse stellt eine sekundäre Lichtquelle dar,
die ein divergentes Lichtbündel mit einem durch die Geometrie
der Mikrolinse vorgegebenen Winkelspektrum erzeugt. Die von den
sekundären Lichtquellen erzeugten Lichtbündel
werden durch einen Kondensor 50 in einer Zwischenfeldebene 52 überlagert,
wodurch diese sehr homogen ausgeleuchtet wird. Der Kondensor 50 stellt
zwischen der ersten Pupillenfläche 42 und der
Zwischenfeldebene 52 eine Fourier-Beziehung her. Dadurch
treffen sich alle unter dem gleichen Winkel von der ersten Pupil lenfläche 42 ausgehenden
Lichtstrahlen in der Zwischenfeldebene 52 im gleichen Punkt,
während alle von einem bestimmten Punkt in der ersten Pupillenfläche 42 ausgehenden Lichtstrahlen
die Zwischenfeldebene 52 unter dem gleichen Winkel durchsetzen.
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In
der Zwischenfeldebene 52 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Feldblende 54 angeordnet, die z. B. mehrere verstellbare
Schneiden und/oder eine Vielzahl schmaler fingerartiger Blendenelemente
umfassen kann, die unabhängig voneinander in den Lichtweg
einführbar sind. Die Zwischenfeldebene 52 wird
mit Hilfe eines Feldblendenobjektivs 56 mit einer Maskenebene 58 optisch konjugiert,
in welcher die Maske 14 angeordnet ist. Die Maskenebene 58 ist
sowohl Bildebene des Feldblendenobjektivs 56 als auch Objektebene
des nachfolgenden Projektionsobjektivs 20.
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Das
Feldblendenobjektiv
56 ist in der
2 schematisch
mit lediglich drei Linsen angedeutet. Hochwertige Feldblendenobjektive,
wie sie beispielsweise in der
US 2004/0207928 A1 und der
WO 2006/114294 A2 beschrieben
sind, haben in der Regel mehr als drei Linsen. In einer zweiten
Pupillenfläche
60 des Beleuchtungssystems
12 schneiden
die Hauptstrahlen, von denen in der
2 ein einzelner beispielhaft
dargestellt und mit
62 bezeichnet ist, die optische Achse
OA. In der zweiten Pupillenfläche
60 ist eine
Aperturblende
64 angeordnet, welche die Apertur des Feldblendenobjektivs
56 beschränkt.
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Die 3 zeigt
in einer perspektivischen schematischen Darstellung die im Feldblendenobjektiv 56 angeordnete
zweite Pupillenfläche 60 sowie einen Ausschnitt
aus der Maskenebene 58. Bei dieser Darstellung wird angenommen,
dass durch das Beleuchtungssystem 12 eine Quadrupolbeleuchtung
erzeugt wird. Wie oben bereits erwähnt, kann hierzu das
diffraktive optische Element 36 so ausgelegt sein, dass
vier Pole in der ersten Pupillenfläche 42 ausgeleuchtet
werden. Da durch den Kondensor 50 und durch die Feldblende 54 die
Beleuchtungswinkelverteilung nicht verändert wird, werden
auch in der zweiten Pupillenfläche 60 vier Pole
ausgeleuchtet, die in der 3 mit 68a, 68b, 68c und 68d bezeichnet
sind. Die Lichtbündel, welche die Pole 68a bis 68d ausleuchten,
sind mit 70a, 70b, 70c bzw. 70d bezeichnet
und konvergieren in einem Feldpunkt 72 in der Maskenebene 58.
Zur Intensität in dem Feldpunkt 72 tragen somit
alle Lichtbündel 70a bis 70d bei.
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Die 4a und 4b zeigen
einen vereinfachten Meridionalschnitt in der yz- bzw. der xz-Ebene
eines Pupillenformungs-Objektivs 138 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel. Da das Pupillenformungs-Objektivs 138 auch
nicht rotationssymmetrische Komponenten enthält, wurden – anders
als sonst bei Meridionalschnitten üblich – die
Komponenten des Pupillenformungs-Objektivs 138 in die Zeichenebene
projiziert und verdeckte Kanten gestrichelt dargestellt.
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Lichteintrittsseitig
ist eine stark vereinfacht dargestellte Zoom-Gruppe 140 angeordnet,
mit deren Hilfe sich die Größe der in der Pupillenfläche 42 ausgeleuchteten
Bereiche im Sinne einer Maßstabsänderung verändern
lassen. In Lichtausbreitungsrichtung folgen auf die Zoom-Gruppe 140 eine
erste astigmatische Prismen-Gruppe 142, die aus einem ersten
astigmatischen Prisma 142a und einem zweiten astigmatischen
Prisma 142b besteht, die jeweils auf einer Seite eine plane
und zur optischen Achse senkrechte Fläche und auf der gegenüberliegenden Seite
zwei zur optischen Achse geneigte Teilflächen aufweisen.
Der Abstand zwischen den beiden Prismen 142a, 142b kann
mittels einer ersten Verschiebeeinrichtung 143 stufenlos
innerhalb eines vorgegebenen Bereichs verändert werden.
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Auf
die erste Prismen-Gruppe 142 folgt in Lichtausbreitungsrichtung
eine zweite astigmatische Prismen-Gruppe 144, die genauso
wie die erste Prismen-Gruppe 142 ausgebildet, aber entlang
der optischen Achse OA des Beleuchtungssystems 12 um 90° gedreht
angeordnet ist. Die zweite Prismen-Gruppe 144 enthält
somit ebenfalls zwei Prismen 144a, 144b, deren
Abstand mit einer zweiten Verschiebeinrichtung 145 verändert
werden kann. Nach dem Durchtritt durch die zweite Prismen-Gruppe 144 trifft
das Licht auf die erste Pupillenfläche 42. Die
Intensitätsverteilung des Lichts in der ersten Pupillenfläche 42 ist
im rechten Teil der 4a und 4b dargestellt.
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In
den 4a und 4b und
insbesondere in der 5, welche die erste Prismen-Gruppe 142 in einer
perspektivischen Darstellung zeigt, ist erkennbar, dass es sich
bei den Prismen 142a und 142b der ersten Prismen-Gruppe 142 um
astigmatisch wirkende optische Elemente handelt. Dies bedeutet,
dass die Prismen 142a, 142b in den beiden zueinander und
zur optischen Achse OA senkrechten Richtungen x, y eine unterschiedliche
optische Wirkung haben. So zeigen die Prismen 142a, 142b der
ersten Prismen-Gruppe 142 in x-Richtung keine Wirkung,
d. h. sie verursachen keine Ablenkung der durch sie hindurchtretenden
Lichtstrahlen in der xz-Ebene (siehe 4b). In
y-Richtung jedoch werden Lichtstrahlen an den geneigten Teilflächen,
welche die Prismen begrenzen, abgelenkt (siehe 4a).
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Im
Folgenden werden der Aufbau der ersten Prismen-Gruppe 142 und
der Lichtweg durch die darin enthaltenen Prismen 142a, 142b mit
Bezug auf die 4a, 4b und 5 näher
beschrieben:
Ein von der Zoom-Gruppe 140 kommendes
paralleles Lichtbündel tritt zunächst durch eine
plane, zur optischen Achse OA senkrechte Eintrittsfläche 180 in das
erste Prisma 142a ein. Auf der gegenüberliegenden
Seite des ersten Prismas 142a befindet sich eine optisch
wirksame Fläche 182, welche aus zwei Teilflächen 182a und 182b besteht,
die eine keilförmige Ausnehmung bilden. Eine brechende
Kante 184 zwischen den beiden Teilflächen 182a und 182b verläuft dabei
in x-Richtung senkrecht zur opti schen Achse OA und schneidet diese.
Das aus dem ersten Prisma 142a austretende Lichtbündel
wird somit an der brechenden Kante 184 in zwei Teilbündel 171a, 171b aufgeteilt,
die an den schrägen Teilflächen 182a bzw. 182b gebrochen
und schräg in positiver bzw. negativer y-Richtung abgelenkt
werden.
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Die
beiden Teilbündel 171a und 171b treffen dann
auf eine optisch wirksame Fläche 186 des zweiten
Prismas 142b, welche komplementär zur optisch wirksamen
Fläche 182 des ersten Prismas 142a wirkt.
Komplementäre Wirkung bedeutet in diesem Zusammenhang,
dass eine ursprüngliche, vor der Eintrittsfläche 180 des
ersten Prismas 142a gegebene Strahlrichtung nach dem zweiten
Prisma 142b wieder hergestellt wird. Werden die beiden
Prismen aus demselben optischen Material hergestellt, bedeutet dies,
dass die beiden optisch wirksamen Flächen 182 und 186 komplementäre
Flächen sind, die spaltfrei aneinander grenzen, wenn die
Prismen 142a, 142b von der ersten Verschiebeeinrichtung 143 in
Kontakt gebracht werden. Im geschlossenen Zustand hat die Prismen-Gruppe 142 deshalb
die Wirkung einer zur optischen Achse senkrechten plan-parallelen
Platte und verändert somit die Intensitätsverteilung
des Lichts in der Pupillenfläche 42 nicht.
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Aus
einer planen Austrittsfläche 188 des zweiten Prismas 142b treten
die beiden Lichtbündel 171a und 171b aus
der ersten Prismen-Gruppe 142 aus. Der Abstand der Lichtbündel 171a, 171b zur
optischen Achse OA ist dabei durch den von der ersten Verschiebeeinrichtung 143 vorgegebenen
Abstand zwischen den Prismen 142a, 142b festgelegt.
Je größer der Abstand zwischen den Prismen 142a, 142b ist,
desto größer ist auch der Abstand der Lichtbündel 171a, 171b zur
optischen Achse OA. In x-Richtung sind die Lichtstrahlen jedoch
beim Durchtritt durch die erste Prismen-Gruppe 142 nicht
verlagert worden.
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Infolge
dieser Wirkung wird z. B. ein Lichtbündel mit einem kreisflächenförmigen
Querschnitt in zwei Teilbündel 171a und 171b mit
jeweils halbkreisflächenförmigen Querschnitt geteilt,
deren Abstand entlang der y-Richtung mit Hilfe der Verschiebeeinrichtung 143 variiert
werden kann.
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Im
weiteren Strahlverlauf folgt nun die zweite astigmatische Prismen-Gruppe 144,
die – wie bereits erwähnt- baugleich zur ersten
Prismen-Gruppe 142 ausgebildet, aber um 90° verdreht
angeordnet ist. Die zweite Prismen-Gruppe 144 hat die gleiche
Wirkung wie die erste Prismen-Gruppe 142 bis auf die Tatsache,
dass durch die geneigten Teilflächen eine Ablenkung der
Lichtstrahlen ausschließlich entlang der x-Richtung bewirkt
wird.
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Die
beiden Teilbündel 171a und 171b mit halbkreisflächenförmigem
Querschnitt werden nochmals in jeweils zwei Teilbündel
unterteilt, so dass schließlich vier Teilbündel
mit einem jeweils viertelkreisflächenförmigen
Querschnitt auf die erste Pupillenfläche 42 auftreffen.
Das Pupillenformungs-Objektiv 138 gemäß diesem
ersten Ausfüh rungsbeispiel kann somit ohne die Verwendung
eines diffraktiven optischen Elements die erste Pupillenfläche 42 mit
einer Anordnung von vier kreissegmentförmigen Polen 168a, 168b, 168c und 168d ausleuchten.
Der Abstand zwischen den Polpaaren 168a, 168d und 168b, 168c einerseits
und zwischen den Polpaaren 168a, 168b und 168c, 168d andererseits
lässt sich dabei durch Verstellen der ersten Axikon-Gruppe 142 bzw. der
zweiten Axikon-Gruppe 144 verändern.
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Die 6a, 6b und 7 zeigen
in an die 4a, 4b und 5 angelehnten
Darstellungen ein Pupillenformungs-Objektiv 238 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche oder einander entsprechende
Teile sind dabei mit um 100 erhöhten Bezugsziffern
versehen und werden teilweise nicht nochmals näher erläutert.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel wird zusätzlich angenommen,
dass vor dem Pupillenformungs-Objektiv 238 ein diffraktives
optisches Element 36 in den Austauschhalter 30 eingesetzt
ist, das vier Lichtbündel 271a bis 271d erzeugt,
die in der ersten Pupillenfläche 42 vier Pole 268a, 268b, 268c und 268d ausleuchten.
Die Anordnung der von dem diffraktiven optischen Element 36 erzeugten
Lichtbündel 271a bis 271d wird von der
Zoom-Gruppe 240 rotationssymmetrisch vergrößert.
Danach treten die Lichtbündel 271a bis 271b in
eine Prismen-Gruppe 242 ein, die ebenfalls ein erstes und
ein zweites astigmatisches Prisma 242a bzw. 242b enthält,
deren Abstand mit einer Ver schiebeeinrichtung 243 verändert
werden kann. In Lichtausbreitungsrichtung folgt eine konventionelle
Axikon-Gruppe 246, welche aus einem ersten Axikon-Element 246a und
einem zweiten Axikon-Element 246b besteht.
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Wie
besonders gut in der perspektivischen Darstellung der Prismengruppe 242 in
der 7 erkennbar ist, hat das erste Prisma 242a eine
optisch wirksame Fläche 282, die aus zwei äußeren
Teilflächen 282a und 282b sowie einer
dazwischen angeordneten mittleren Teilfläche 282c besteht.
Die mittlere Teilfläche 282c steht dabei senkrecht
zur optischen Achse. Die Teilflächen 282a, 282b und 282c grenzen
an brechenden Kanten 284 und 285 aneinander, die
entlang der x-Richtung und senkrecht zur optischen Achse verlaufen,
diese aber nicht schneiden. Von den vier durch die Eintrittsfläche 280 des ersten
Prismas 242a eintretenden Lichtbündeln 271a bis 271d werden
nur die beiden aus den geneigten äußeren Teilflächen 282a und 282b austretenden Lichtbündel 271a und 271c in
positiver bzw. negativer y-Richtung abgelenkt (siehe 6a).
Die beiden anderen Lichtbündel 271b und 271d treten
aus der zur optischen Achse senkrechten mittleren Teilfläche 282c aus
und werden dabei nicht abgelenkt (siehe 6b).
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Nach
dem Durchtritt durch eine komplementäre optisch wirksame
Fläche 286 des zweiten Prismas 242b ist
die ursprüngliche Strahlrichtung der Lichtbündel 271a bis 271d wieder
hergestellt. Allerdings sind die beiden Lichtbündel 271a und 271c nun entlang
der y-Richtung nach außen verlagert, wodurch sich eine
astigmatische Anordnung der von den Lichtbündeln 271a bis 271d in
der ersten Pupillenfläche 42 ausgeleuchteten Polen 268a, 268b, 268c bzw. 268d ergibt.
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Die
auf die Prismen-Gruppe 242 folgende konventionelle Axikon-Gruppe 246 besteht
aus einem ersten Axikon-Element 246a, welches als optisch
wirksame Fläche eine konische Ausnehmung aufweist, und
einem zweiten Axikon-Element 246b, dessen komplementär
wirkende optische Fläche kegelförmig erhaben ist.
Auf Grund der Rotationssymmetrie dieser Axikon-Gruppe 246 können
durch Vergrößern des Abstandes der beiden Axikon-Elemente 246a und 246b die
durch sie hindurchtretenden Lichtbündel radial nach außen
verlagert werden.
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Auch
das Pupillenformungs-Objektiv 238 gemäß dem
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglicht
es, verschiedene astigmatische Beleuchtungssettings in der ersten
Pupillenfläche 42 zu erzeugen und durch Verstellen
der Prismen-Gruppe 242 und der Axikon-Gruppe 246 zu
variieren, ohne dass das diffraktive optische Element 36 ausgetauscht
werden muss.
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Die 8a und 8b zeigen
in an die 4a und 4b angelehnten
Darstellungen ein Pupillenformungs-Objektiv 338 gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung. Gleiche oder einander entsprechende
Teile sind dabei mit um 200 erhöhten Bezugsziffern
versehen und werden teilweise nicht nochmals näher erläutert.
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Das
Pupillenformungs-Objektiv 338 entspricht im Wesentlichen
dem in den 6a und 6b gezeigten
Pupillenformungs-Objektiv 338. Im Unterschied dazu ist
jedoch die dort mit 242 bezeichnete Prismen-Gruppe 242 durch
eine astigmatische Zoom-Gruppe 347 ersetzt. Die astigmatische Zoom-Gruppe 347 umfasst
eine erste Zylinderlinse 347a und eine zweite Zylinderlinse 347b,
deren Lage entlang der optischen Achse OA mit Hilfe einer Verfahreinrichtung 343 verändert
werden kann. Die astigmatische Zoom-Gruppe 347 kann auch
in die rotationssymmetrisch wirkende Zoom-Gruppe 340 integriert
sein.
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Auch
hier wird angenommen, dass ein diffraktives optisches Element 36 im
Fernfeld vier Pole eines Quadrupol-Beleuchtungssettings erzeugt.
Die Lichtbündel werden in der Zoom-Gruppe 340 im
Sinne einer Maßstabsänderung aufgeweitet und treffen dann
auf die astigmatische Zoom-Gruppe 347. Die darin enthaltenen
Zylinderlinsen 347a, 347b bewirken eine Streckung
der Lichtbündel ausschließlich in y-Richtung,
da sie nur in dieser Richtung eine von Null verschiedene Brechkraft
haben.
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Dadurch
werden die ursprünglich symmetrisch zur optischen Achse
OA angeordneten Pole in der ersten Pupillenfläche 42 astigmatisch
verlagert. Die Anordnung der Pole 368a bis 368d in
der ersten Pupillenfläche 42 ist in den 8a und 8b rechts dargestellt.
Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird diese astigmatische Verlagerung überlagert von einer
astigmatischen Verzerrung der einzelnen Pole 368a bis 368d. Da
die Verlagerung und die Verzerrung miteinander verknüpft
sind, können die Pole 368a bis 368d nicht verlagert
werden, ohne dass sich dabei auch ihre Verzerrung ändert.
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Wie
im vorherigen Ausführungsbeispiel kann die Anordnung der
Pole 368a bis 368d durch Verstellung der rotationssymmetrisch
wirkenden Axikon-Gruppe 348 zusätzlich radial
nach außen verlagert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 6236449
B1 [0011]
- - US 5986744 [0012]
- - EP 0660169 A1 [0012]
- - US 2004/0207928 A1 [0055]
- - WO 2006/114294 A2 [0055]