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Die Erfindung betrifft ein optisches System in einer Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlagen werden zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD’s, angewendet. Eine solche Projektionsbelichtungsanlage weist eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv auf. Im Mikrolithographieprozess wird das Bild einer mit Hilfe der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
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Im Betrieb einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage besteht der Bedarf, definierte Beleuchtungssettings, d. h. Intensitätsverteilungen in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung, gezielt einzustellen. Hierzu ist außer der Verwendung diffraktiver optischer Elemente (sogenannter DOE’s) auch der Einsatz von Spiegelanordnungen, z.B. aus
WO 2005/026843 A2 , bekannt. Solche Spiegelanordnungen umfassen eine Vielzahl unabhängig voneinander einstellbarer Mikrospiegel.
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Es sind ferner verschiedene Ansätze bekannt, in der Beleuchtungseinrichtung zur Optimierung des Abbildungskontrastes gezielt bestimmte Polarisationsverteilungen in der Pupillenebene und/oder im Retikel einzustellen. Zum Stand der Technik wird beispielsweise auf die
WO 2005/069081 A2 ,
WO 2005/031467 A2 ,
US 6,191,880 B1 ,
US 2007/0146676 A1 ,
WO 2009/034109 A2 ,
WO 2008/019936 A2 ,
WO 2009/100862 A1 ,
DE 10 2008 009 601 A1 und
DE 10 2004 011 733 A1 verwiesen.
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Aus
DE 10 2007 007 907 A1 ist ein Herstellungsverfahren für ein diffraktives optisches Element bekannt, bei dem mindestens zwei verschiedene Typen von Einzelelementen mit unterschiedlicher vorgegebener bündelformender und polarisierender Wirkung mit hoher Strukturgenauigkeit erzeugt werden, wozu insbesondere Ätzstrukturen in ein Polarisationsformungssubstrat eingebracht werden.
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Aus
EP 2 117 034 A1 ist es u. a. bekannt, ein diffraktives optisches Element aus einer Vielzahl von Basiselementen aus optisch aktivem Kristallmaterial herzustellen, wobei jedes dieser Basiselemente eine diffraktive Oberfläche zur Erzielung einer gewünschten Strahlablenkung aufweist und wobei die Dicke dieser Basiselemente zur Erzeugung unterschiedlicher Polarisationsdrehungen variiert.
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Die bei den vorstehend beschriebenen Ansätzen letztendlich erfolgende Realisierung von diffraktiven optischen Elementen, welche neben der Bereitstellung einer erwünschten Intensitätsverteilung auch – als Zusatzfunktionalität – die Einstellung einer gewünschten Polarisationsverteilung ermöglichen, erfordert jedoch eine vergleichsweise aufwendige Mikrostrukturierung und somit einen relativ hohen Fertigungsaufwand.
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System in einer Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bereitzustellen, welches mit vergleichsweise geringem Aufwand die Bereitstellung einer gewünschten Intensitäts- und Polarisationsverteilung ermöglicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein optisches System in einer Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage auf:
- – wenigstens ein polarisationsbeeinflussendes Element, welches im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage für hindurchtretendes Licht eine über den Lichtbündelquerschnitt variierende Veränderung des Polarisationszustandes bewirkt; und
- – wenigstens eine diffraktive Struktur, welche in Lichtausbreitungsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgend zu dem polarisationsbeeinflussenden Element angeordnet ist und im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage für hindurchtretendes Licht eine über den Lichtbündelquerschnitt variierende Strahlablenkung bewirkt;
- – wobei das polarisationsbeeinflussende Element aus linear oder zirkular doppelbrechendem Material hergestellt ist und eine zumindest bereichsweise keilförmige Geometrie aufweist.
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Dabei ist die Formulierung, wonach die diffraktive Struktur „in Lichtausbreitungsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgend zu dem polarisationsbeeinflussenden Element angeordnet“ ist, so zu verstehen, dass die diffraktive Struktur alternativ vor oder nach dem polarisationsbeeinflussenden Element angeordnet sein kann.
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Gemäß dem o. g. ersten Aspekt liegt der vorliegenden Erfindung das Konzept zugrunde, durch Bereitstellung eines zumindest abschnittsweise keilförmigen Verlaufs in einem (linear oder zirkular) doppelbrechenden polarisationsbeeinflussenden Element in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise die Umwandlung einer ursprünglich typischerweise konstant linearen Polarisationsverteilung in eine Vielzahl verschiedener Polarisationszustände zu ermöglichen, wobei diese Polarisationszustände bzw. die hiermit beaufschlagten Lichtstrahlen – gewissermaßen funktional getrennt – mittels der diffraktiven Struktur in geeignete Winkelbereiche und damit gezielt auf bestimmte Orte in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung gelenkt werden. Dabei ist – im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen, herkömmlichen Ansätzen – keine fertigungstechnisch aufwendige Mikrostrukturierung des im polarisationsbeeinflussenden Element enthaltenen doppelbrechenden Materials erforderlich. Des Weiteren kann grundsätzlich auch durch Verschiebung des polarisationsbeeinflussenden Elements einerseits und der diffraktiven Struktur andererseits relativ zueinander (z.B. in einer zur Lichtausbreitungsrichtung senkrechten Richtung) eine Variation des jeweils erzeugten polarisierten Beleuchtungssettings etwa zum Zwecke einer Justage erfolgen.
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Der erfindungsgemäße Ansatz geht insbesondere von der Überlegung aus, dass die zur Bereitstellung einer typischerweise gewünschten (z.B. tangentialen oder quasi-tangentialen) Polarisationsverteilung benötigte Dickenvariation in (linear oder zirkular) doppelbrechendem Material typischerweise um wenigstens zwei Größenordnungen über den wesentlich feineren diffraktiven Strukturen liegt, wie sie zur Erzielung gewünschter Strahlablenkungen zur Erzeugung einer gewünschten Intensitätsverteilung in der Pupillenebene erforderlich sind, so dass die erfindungsgemäß gewählte keilförmige Geometrie für das polarisationsbeeinflussende Material zum einen in fertigungstechnischer Hinsicht, zum anderen aber auch im Hinblick auf die Vermeindung von unerwünschten Abschattungseffekten besonders vorteilhaft ist.
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Gemäß einer Ausführungsform werden wenigstens zwei das polarisationsbeeinflussende Element durchlaufende Lichtstrahlen, welche nach Durchtritt durch das polarisationsbeeinflussende Element voneinander verschiedene Polarisationszustände aufweisen, in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung kohärent überlagert.
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Gemäß dieser Ausführungsform macht sich die Erfindung somit das Prinzip der kohärenten Überlagerung zunutze, um ausgehend von der erfindungsgemäß vorgegebenen Geometrie des polarisationsbeeinflussenden Elements aus innerhalb derselben Kohärenzzelle liegenden Teilstrahlen, welche durch das polarisationsbeeinflussende Element mit unterschiedlichen Polarisationszuständen beaufschlagt werden, in Wege der kohärenten Überlagerung weitere, zu dem jeweils gewünschten polarisierten Beleuchtungssetting passende Polarisationszustände zu erzeugen. Auf diese Weise kann beispielsweise – wie im Weiteren noch näher erläutert – anstatt eines tangentialen Beleuchtungssettings ein quasi-tangentiales Beleuchtungssetting erzeugt werden, indem die zu den entgegengesetzten Rändern einer Kohärenzzelle gehörenden Lichtstrahlen unter Erzeugung eines der Mitte der Kohärenzzelle entsprechenden Polarisationszustandes kohärent überlagert werden.
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Das vorstehend erläuterte Konzept der kohärenten Überlagerung ist nicht auf die gemäß dem ersten Aspekt gewählte, wenigstens abschnittsweise keilförmige Geometrie des polarisationsbeeinflussenden Elements beschränkt. Vielmehr kann das Konzept der kohärenten Überlagerung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch unabhängig von der Geometrie des polarisationsbeeinflussenden Elements vorteilhaft sein bzw. realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft somit gemäß einem weiteren Aspekt auch ein optisches System in einer Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit
- – wenigstens einem polarisationsbeeinflussenden Element, welches im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage für hindurchtretendes Licht eine über den Lichtbündelquerschnitt variierende Veränderung des Polarisationszustandes bewirkt; und
- – wenigstens einer strahlablenkenden Struktur, welche im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage für hindurchtretendes Licht eine über den Lichtbündelquerschnitt variierende Strahlablenkung bewirkt;
- – wobei wenigstens zwei das polarisationsbeeinflussende Element durchlaufende Lichtstrahlen, welche nach Durchtritt durch das polarisationsbeeinflussende Element voneinander verschiedene Polarisationszustände aufweisen, in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung kohärent überlagert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden wenigstens zwei das polarisationsbeeinflussende Element durchlaufende Lichtstrahlen, welche nach Durchtritt durch das polarisationsbeeinflussende Element voneinander verschiedene Polarisationszustände aufweisen, in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung inkohärent überlagert.
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Eine solche inkohärente Überlagerung (bei welcher im Unterschied zur kohärenten Überlagerung die jeweils überlagerten elektrischen Felder zum Erhalt der letztlich resultierenden Intensität zunächst einzeln quadriert und erst dann addiert werden) kann insbesondere aus zunächst infolge der Wirkung des polarisationsbeeinflussenden Elements mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen beaufschlagten Teilstrahlen letztlich aufgrund inkohärenter Überlagerung unpolarisiertes Licht erzeugt werden, welches in Verbindung mit bestimmten Retikelstrukturen bzw. gewünschten Beleuchtungssettings vorteilhaft sein kann. Des Weiteren können erfindungsgemäß auch durch Kombination der vorstehend genannten Effekte, d. h. durch teilweise kohärente und teilweise inkohärente Überlagerung, Beleuchtungssettings realisiert werden, welche in bestimmten Bereichen der Pupillenebene Zwischenzustände hinsichtlich des Polarisationsgrades (mit 0 < DOP < 1) mit vorgegebener Polarisationsvorzugsrichtung aufweisen. Hierbei ist mit DOP der Polarisationsgrad (= „Degree of Polarization“) bezeichnet.
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Gemäß einer Ausführungsform bildet das polarisationsbeeinflussende Element eine rasterförmige Anordnung von den Polarisationszustand von auftreffendem Licht unterschiedlich beeinflussenden Bereichen aus. Diese rasterförmige Anordnung kann für hindurchlaufende, linear polarisierte Lichtstrahlen insbesondere je nach dem Ort des Lichtdurchtritts wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei, weiter insbesondere vier unterschiedliche Polarisationsdrehwinkel erzeugen. Diese Polarisationsdrehwinkel können insbesondere jeweils ein ganzzahliges Vielfaches von 22.5°, weiter insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches von 45° betragen (wobei etwa die Polarisationsdrehwinkel 0°, 45°, 90° und 135° erzeugt werden können).
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Gemäß einer Ausführungsform ist die diffraktive bzw. strahlablenkende Struktur von dem polarisationsbeeinflussenden Element räumlich getrennt.
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Das Konzept dieser räumlichen Trennung ist unabhängig von den vorstehend beschriebenen Ansätzen realisierbar. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung daher auch ein optisches System in einer Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit
- – wenigstens einem polarisationsbeeinflussenden Element, welches im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage für hindurchtretendes Licht eine über den Lichtbündelquerschnitt variierende Veränderung des Polarisationszustandes bewirkt; und
- – wenigstens einer diffraktiven Struktur, welche in Lichtausbreitungsrichtung unmittelbar aufeinanderfolgend zu dem polarisationsbeeinflussenden Element angeordnet ist und im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage für hindurchtretendes Licht eine über den Lichtbündelquerschnitt variierende Strahlablenkung bewirkt;
- – wobei die diffraktive Struktur von dem polarisationsbeeinflussenden Element räumlich getrennt ist; und
- – wobei das polarisationsbeeinflussende Element aus linear oder zirkular doppelbrechendem Material hergestellt ist und ein über den Lichtbündelquerschnitt variierendes Dickenprofil aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die diffraktive bzw. strahlablenkende Struktur auch unmittelbar auf dem polarisationsbeeinflussenden Element ausgebildet sein.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist das polarisationsbeeinflussende Element aus kristallinem Quarz hergestellt. Dabei kann das polarisationsbeeinflussende Element insbesondere eine optische Kristallachse aufweisen, welche parallel zur Lichtausbreitungsrichtung ist, um die von kristallinem Quarz in dieser Anordnung bereitgestellte optische Aktivität zur Erzeugung unterschiedlicher Polarisationszustände auszunutzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das polarisationsbeeinflussende Element auch eine optische Kristallachse aufweisen, welche senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung orientiert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das polarisationsbeeinflussende Element aus einem ersten Teilelement und einem zweiten Teilelement aufgebaut, wobei das zweite Teilelement eine durch das erste Teilelement erzeugte Strahlablenkung wenigstens teilweise kompensiert.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur mikrolithographischen Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1–10 schematische Darstellungen zur Erläuterung unterschiedlicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
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11 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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Im Weiteren wird zunächst unter Bezugnahme auf 11 ein prinzipieller Aufbau einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage mit einem erfindungsgemäßen optischen System erläutert. Die Projektionsbelichtungsanlage weist eine Beleuchtungseinrichtung 10 sowie ein Projektionsobjektiv 20 auf. Die Beleuchtungseinrichtung 10 dient zur Beleuchtung einer Struktur tragenden Maske (Retikel) 30 mit Licht von einer Lichtquelleneinheit 1, welche beispielsweise einen ArF-Excimerlaser für eine Arbeitswellenlänge von 193 nm sowie eine ein paralleles Lichtbündel erzeugende Strahlformungsoptik umfasst. Generell sind die Beleuchtungseinrichtung 10 sowie das Projektionsobjektiv 20 bevorzugt für eine Arbeitswellenlänge von weniger als 400 nm, insbesondere weniger als 250 nm, weiter insbesondere weniger als 200 nm, ausgelegt.
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Die Beleuchtungseinrichtung 10 weist eine optische Einheit 11 auf, die u. a. im dargestellten Beispiel einen Umlenkspiegel 12 umfasst. In Lichtausbreitungsrichtung nach der optischen Einheit 11 befindet sich im Strahlengang eine Lichtmischeinrichtung (nicht dargestellt), welche z.B. in für sich bekannter Weise eine zur Erzielung einer Lichtmischung geeignete Anordnung aus mikrooptischen Elementen aufweisen kann, sowie eine Linsengruppe 14, hinter der sich eine Feldebene mit einem Retikel-Maskierungssystem (REMA) befindet, welches durch ein in Lichtausbreitungsrichtung nachfolgendes REMA-Objektiv 15 auf die Struktur tragende, in einer weiteren Feldebene angeordnete Maske (Retikel) 30 abgebildet wird und dadurch den ausgeleuchteten Bereich auf dem Retikel begrenzt. Die Struktur tragende Maske 30 wird mit dem Projektionsobjektiv 20 auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht versehenes Substrat 40 bzw. einen Wafer abgebildet. Das Projektionsobjektiv 20 kann insbesondere für den Immersionsbetrieb ausgelegt sein. Ferner kann es eine numerische Apertur NA größer als 0.85, insbesondere größer als 1.1, aufweisen.
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Wie aus 11 ersichtlich befinden sich am Eingang der Beleuchtungseinrichtung 11 ein polarisationsbeeinflussendes Element 110 sowie, in Lichtausbreitungsrichtung unmittelbar darauffolgend, eine diffraktive Struktur 130, wobei deren Funktion im Weiteren unter Bezugnahme auf 1 ff. näher erläutert wird.
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Gemäß 1 ist das polarisationsbeeinflussende Element 110 als Doppelkeil aus einem ersten Teilelement 111 und einem zweiten Teilelement 112 zusammengesetzt, wobei die Teilelemente 111, 112 jeweils eine keilförmige bzw. keilabschnittsförmige Geometrie aufweisen. Das erste Teilelement 111 ist im Ausführungsbeispiel aus kristallinem Quarz hergestellt, wobei die optische Kristallachse im Kristallmaterial parallel zur (im eingezeichneten Koordinatensystem in z-Richtung verlaufenden) Lichtausbreitungsrichtung orientiert ist. Des Weiteren soll durch die in 1 eingezeichneten Doppelpfeile symbolisiert werden, dass das auf das polarisationsbeeinflussende Element 110 bzw. dessen erstes Teilelement 111 auftreffende Licht linear polarisiert ist, wobei die Polarisationsrichtung in y-Richtung (bezogen auf das eingezeichnete Koordinatensystem, d. h. senkrecht zur Papierebene) verläuft. Entsprechend ist auch die Darstellung der weiteren Polarisationsverteilungen im Folgenden jeweils bei Betrachtung in z-Richtung bzw. in der xy-Ebene zu verstehen.
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Das zweite Teilelement 112 des das polarisationsbeeinflussende Element 110 ausbildenden Doppelkeils ist aus nicht doppelbrechendem (optisch isotropem) Material, z.B. Quarzglas (SiO2), hergestellt und dient dazu, die Strahlablenkung durch das erste Teilelement 111 zu kompensieren.
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Wie in 1 schematisch dargestellt, ergibt sich für durch das polarisationsbeeinflussende Element 110 infolge der durch das optisch aktive Material des ersten Teilelements 111 bewirkten zirkularen Doppelbrechung eine von der jeweiligen Materialstrecke im ersten Teilelement 111 abhängige, resultierende Drehung der Polarisationsvorzugsrichtung, wobei in 1 zwischen dem polarisationsbeeinflussenden Element 110 bzw. dessen zweitem Teilelement 112 und der diffraktiven Struktur 130 exemplarisch die (linearen) Polarisationszustände eingezeichnet sind, welche aus einer Drehung der ursprünglichen, in y-Richtung weisenden Polarisationsvorzugsrichtung um 0°, 45°, 90° bzw. 135° resultieren.
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Die diffraktive Struktur 130 weist nun eine auf das gewünschte polarisierte Beleuchtungssetting in der Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung ausgelegte Strahlablenkung auf, wobei im Ausführungsbeispiel diese Strahlablenkung jeweils so gewählt wird, dass sich im Ergebnis ein annulares bzw. ringförmiges Beleuchtungssetting mit tangentialer Polarisationsverteilung ergibt. Hierzu wird wie ebenfalls in 1 schematisch angedeutet jeweils für Licht mit einer durch das polarisationsbeeinflussende Element 110 erzeugten bestimmten Polarisationsrichtung eine „Subpupille“ in Form eines Dipolsettings mit quasi-tangentialer Polarisationsverteilung erzeugt, so dass die hierbei erzeugten „Subpupillen“ 141–145 in Addition in der Pupillenebene schließlich das annulare, tangential polarisierte Beleuchtungssetting 150 ergeben. Diese Subpupillen sind in 1 sowie in den weiteren Figuren zur Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt und in Wirklichkeit als infinitesimal klein zu verstehen, so dass sich etwa im Beispiel von 1 eine kontinuierliche Polarisationsdrehung über das gezeigte annulare Beleuchtungssetting ergibt. Zur geeigneten Auslegung des ersten Teilelements 111 kann bei Verwendung von synthetischem optisch aktivem kristallinem Quarz gemäß dem Ausführungsbeispiel bei einer Wellenlänge von ca. 193 nm und einer Temperatur von 21.6°C das spezifische Drehvermögen α zu etwa 323.1°/mm zugrundegelegt werden.
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Wie in 1 durch das Symbol „...“ angedeutet, können typscherweise auch eine Vielzahl von Perioden der durch das polarisationsbeeinflussende Element 110 bewirkten Polarisationsdrehung bzw. der hierauf abgestimmten, durch die diffraktive Struktur 130 bewirkten Stahlablenkung bereitgestellt werden mit dem Ziel, eine vom Laserstrahlprofil unabhängige Lichtverteilung in der Pupille einzustellen, wobei in 1 lediglich zur Vereinfachung nur eine Periode dargestellt ist.
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Im Folgenden wird auf das für das mittels der erfindungsgemäßen Anordnung letztlich erzeugte polarisierte Beleuchtungssetting relevante Verhältnis zwischen der Ausdehnung der Kohärenzzellen des von der Laserlichtquelle 1 erzeugten Beleuchtungslichts zur vorstehend erwähnten, von dem polarisationsbeeinflussenden Element 110 erzeugten Polarisationsperiode sowie zur Größe der in der diffraktiven Struktur 130 vorhandenen strahlablenkenden Strukturen eingegangen. Typischerweise ist hierbei die Ausdehnung der Kohärenzzellen größer (gegebenenfalls wesentlich größer, z.B. um wenigstens eine Größenordnung) als die Polarisationsperiode, wobei diese Polarisationsperiode wiederum (typischerweise ebenfalls wesentlich, z.B. um wenigstens eine Größenordnung) größer als die Größe der strahlablenkenden Strukturen in der diffraktiven Struktur 130 ist.
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Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf 2 erläutert, kann nun eine kohärente Überlagerung von innerhalb der gleichen Kohärenzzelle erzeugten, unterschiedlichen Polarisationszuständen, welche sich in Ausbreitungsrichtung nach dem polarisationsbeeinflussenden Element 110 ergeben, dazu genutzt werden, anstelle des vorstehend anhand von 1 beschriebenen tangential polarisierten Beleuchtungssettings 150 ein quasi-tangential polarisiertes Quadrupol-Beleuchtungssetting 250 zu erzeugen. Hierzu ist die diffraktive Struktur 230 gemäß 2 derart ausgestaltet, dass die durch das polarisationsbeeinflussende Element 210 bzw. dessen erstes Teilelement 211 erzeugten, im Vergleich zur x-Richtung um ±20° gedrehten Polarisationszustände wieder zu einem in x-Richtung polarisierten Zustand kohärent überlagert werden (dies gilt selbstverständlich für jeden beliebigen Winkel ±α um den Zielzustand mit Polarisationsorientierung γ herum, d. h. Teilstrahlen mit den Polarisationsdrehwinkeln γ + α und γ – α werden kohärent zu einem Polarisationsdrehwinkel γ überlagert). Im Ergebnis kann so das gewünschte polarisierte Beleuchtungssetting 210 ohne Verlust im Polarisationsgrad (DOP-Wert, DOP = „Degree of Polarization“) eingestellt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die Ausnutzung zirkularer Doppelbrechung bzw. optischer Aktivität durch das polarisationsbeeinflussende Element 110 bzw. 210 beschränkt. Vielmehr kann, wie in 3a schematisch dargestellt, in weiteren Ausführungsformen auch lineare Doppelbrechung ausgenutzt werden, wozu das erste Teilelement 310 aus linear doppelbrechendem Material mit zur Lichtausbreitungsrichtung senkrechter Orientierung der optischen Kristallachse (welche im Beispiel von 3a in y-Richtung verläuft) hergestellt ist. In diesem Falle ergeben sich, wie in 3a schematisch angedeutet, in Lichtausbreitungsrichtung nach dem polarisationsbeeinflussenden Element 310 bzw. dessen erstem Teilelement 311 (auf die Darstellung des zur Kompensation der Strahlablenkung typischerweise vorgesehenen zweiten Teilelements wurde hier verzichtet) wiederum über die Ausdehnung des polarisationsbeeinflussenden Elements 310 bzw. über den Lichtbündelquerschnitt variierende Polarisationszustände, wobei infolge der linearen Doppelbrechung nunmehr elliptische bzw. zirkulare Polarisationszustände erzeugt werden. 3b zeigt zum Vergleich die Realisierung mit optisch aktivem Kristallmaterial etwa in Form von kristallinem Quarz mit zur Lichtausbreitungsrichtung paralleler Ausrichtung der optischen Kristallachse in einem polarisationsbeeinflussenden Element 320 bzw. dessen erstem Teilelement 321.
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Diese Mehrzahl von Polarisationszuständen kann nunmehr wiederum in Verbindung mit der nachfolgenden (in 3a und 3b nicht dargestellten) diffraktiven Struktur – sowie optional auch wiederum unter Ausnutzung des Konzepts der kohärenten Überlagerung – zur Erzeugung eines jeweils gewünschten polarisierten Beleuchtungssettings genutzt werden, wie in 4 dargestellt. Dabei sind in 4 zu 2 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Elemente mit entsprechenden, um 200 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen das polarisationsbeeinflussende Element 510 keinen konstant linearen Verlauf des Dickenprofils, sondern Bereiche von jeweils konstanter Dicke aufweist, zwischen denen linear in der Dicke ansteigende bzw. abfallende Übergangsbereiche (welche ihrerseits im Sinne der vorliegenden Anmeldung wiederum jeweils eine keilabschnittsförmige Geometrie besitzen) ausgebildet sind. Die in dem Dickenprofil vorhandenen (Keil-)Winkel sind lediglich beispielhaft zu verstehen und können z.B. sowohl Werte in der Größenordnung von einem oder mehreren Grad (°) auch wesentlich geringere Werte (z.B. kleiner als 0.1 mrad) annehmen.
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Wie im rechten Teil von 5 angedeutet, wird die sich in solchen Übergangsbereichen ergebende Polarisationsverteilung wiederum in vorteilhafter Weise und ohne DOP-Verlust unter Ausnutzung kohärenter Überlagerung in Verbindung mit einer entsprechend angepassten diffraktiven Struktur 530 gezielt genutzt, um eine entsprechend polarisierte „Subpupille“ 543 bzw. ein aus den „Subpupillen“ 541, 542, 543, ... letztendlich resultierendes polarisiertes Beleuchtungssetting zu erzeugen.
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Selbstverständlich kann in der Anordnung von 5 analog zu den vorstehenden Ausführungsformen das polarisationsbeeinflussende Element 510 auch ein zur Kompensation der Strahlablenkung dienendes, polarisationsneutrales bzw. optisch isotropes Teilelement mit zu dem Teilelement 511 komplementärem Dickenprofil aufweisen.
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Wie in 6 schematisch dargestellt kann in weiteren Ausführungsformen auch die vorstehend erläuterte kohärente Überlagerung von durch das erfindungsgemäße polarisationsbeeinflussende Element erzeugten Polarisationszuständen bzw. Teilstrahlen mit einer inkohärenten Überlagerung von anderen, durch das polarisationsbeeinflussende Element erzeugten Polarisationszuständen bzw. Teilstrahlen kombiniert werden, wobei letztere Überlagerung typischerweise zu unpolarisiertem Licht führt. Im Ergebnis kann so, wie in 6 schematisch dargestellt, etwa ein Beleuchtungssetting 650 erzeugt werden, welches einen unpolarisierten, im Beispiel zentralen Bereich (entsprechend einer durch inkohärente Überlagerung der aus unterschiedlichen Kohärenzzellen stammenden Lichtstrahlen mittels der diffraktiven Struktur 630 erzeugten „Subpupille“ 641) sowie linear polarisierten Teilbereichen (entsprechend der durch kohärente Überlagerung von innerhalb der gleichen Kohärenzzelle liegenden Teilstrahlen mittels der diffraktiven Struktur 630 erzeugten „Subpupille“ 642) aufweist. Selbstverständlich kann der unpolarisierte Bereich auch an einer anderen, nicht zentralen Position erzeugt werden. Des Weiteren können polarisierte und unpolarisierte Bereich beliebig in der Pupillenebene angeordnet bzw. kombiniert werden. Vorzugsweise werden zur Depolarisation Teilstrahlen mit zueinander orthogonalen Polarisationszuständen verwendet, welche einen vergleichweise großen räumlichen Abstand (vorzugsweise signifikant größer als die Größe der Kohärenzzelle) voneinander aufweisen, um sicherzustelllen, dass tatsächlich eine inkohärente Überlagerung stattfindet.
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In weiteren Ausführungsformen können mittels des Prinzips der Kombination aus kohärenter und inkohärenter Überlagerung auch Beleuchtungssettings erzeugt werden, welche insofern Zwischenzustände der Polarisationsverteilung aufweisen, als ein oder mehrere Bereiche bzw. Pole der Intensitätsverteilung in der Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung einen Polarisationsgrad zwischen Null und Eins (z.B. DOP = 0.5) mit einer bestimmten Polarisationsvorzugsrichtung (z.B. 22.7° bezogen auf die x-Achse) aufweisen.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann das Prinzip der kohärenten Überlagerung unterschiedlicher Polarisationszustände auch dadurch realisiert werden, dass ein geeignetes polarisationsbeeinflussendes Element mit einem anhand von 7–10 erläuterten Aufbau in der Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung angeordnet wird. Die entsprechende Position ist in 11 für ein polarisationsbeeinflussendes Element 710 dargestellt, dessen Aufbau im Folgenden unter Bezugnahme auf 7 ff. beschrieben wird.
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Gemäß 7a–b weist das polarisationsbeeinflussende Element 710 eine rasterförmige Anordnung aus einer Mehrzahl von den Polarisationszustand von auftreffendem Licht unterschiedlich beeinflussenden Bereichen auf, wobei im Ausführungsbeispiel jeweils vier solcher Bereiche 701, 702, 703 und 704 zu einer Zelle 700 zusammengefasst sind und wobei sich diese Zelle 700 innerhalb des polarisationsbeeinflussenden Elements 710 periodisch in x- und y-Richtung wiederholt. Die Bereiche 701–704 sind wiederum aus optisch aktivem kristallinem Quarz hergestellt und in ihrer Dicke derart ausgelegt, dass die für auftreffendes Licht mit in y-Richtung weisender Polarisationsrichtung erzielte Drehung der Polarisationsrichtung im Bereich 701 0°, im Bereich 702 45°, im Bereich 703 90° und im Bereich 704 135° beträgt.
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Die Ausleuchtung des die rasterförmige Anordnung enthaltenden polarisationsbeeinflussenden Elements 710 kann analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen über eine typischerweise am Eingang der Beleuchtungseinrichtung befindliche diffraktive Struktur oder alternativ auch über eine Spiegelanordnung mit einer Mehrzahl unabhängig voneinander verstellbarer Spiegelelemente (kurz auch als MMA bezeichnet, MMA = “Micro Mirror Array“) realisiert werden.
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Selbstverständlich ist die Darstellung in 7 ebenso wie in den weiteren Figuren lediglich schematisch und beispielhaft, wobei typischerweise zur Auflösungsverbesserung eine erheblich größere Anzahl von Zellen 700 innerhalb des polarisationsbeeinflussenden Element 710 vorgesehen sein kann.
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Wie in 8 für ein entsprechend ausgebildetes polarisationsbeeinflussendes Element 810 angedeutet ist vorzugsweise die Ausdehnung des verwendeten Lichtspots kleiner als ein Viertel der Fläche der einzelnen Zellen 700, so dass die vorstehend beschriebenen Polarisationszustände (entsprechend Drehung der Polarisationsrichtung um 0°, 45°, 90° bzw. 135°) jeweils im Wesentlichen in reiner Form eingestellt werden können.
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Darüber hinaus kann, wie in 9a schematisch dargestellt, durch kohärente Überlagerung von unterschiedlichen mittels des polarisationsbeeinflussenden Elements 710 eingestellten Polarisationszuständen eine Einstellung beliebiger Zwischenzustände erfolgen. Des Weiteren kann ebenfalls analog zu dem vorstehend beschriebenen Konzept auch mittels inkohärenter Überlagerung von aus unterschiedlichen Kohärenzzellen der Laserlichtquelle 1 stammenden Teilstrahlen unpolarisiertes Licht erzeugt werden, wobei diese Teilstrahlen wie vorstehend beschrieben vergleichweise (bezogen auf die Kohärenzzellengröße) weit voneinander entfernt liegen sollten und zueinander orthogonale Polarisationszustände aufweisen. Im konkreten Beispiel von 9a führt die kohärente Überlagerung der Polarisationszustände mit einer Polarisationsrichtung, welche um einen Winkel von 0° bzw. 45° zur x-Richtung gedreht ist, zu einem Zwischenzustand mit einer Polarisationsrichtung unter 22.5° zur x-Richtung, wohingegen sich im Falle von inkohärent überlagerten Lichtsspots bei Überlagerung unpolarisiertes Licht oder (je nach Polarisationsrichtung der überlagerten Polarisationszustände) nur teilweise polarisiertes Licht ergibt, wenn wie im Beispiel die den unterschiedlichen Polarisationsdrehungen entsprechenden Bereiche des polarisationsbeeinflussenden Elements 710 zu etwa gleichen Teilen beleuchtet werden.
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In der Ausführungsform von 9a werden sämtliche der vier erzeugbaren Polarisationszustände überlagert, um eine vollständige Depolarisation, d. h. einen Polarisationsgrad (DoP) von 0%, zu erzielen. Im 9b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, bei dem auch mittels Ausleuchtung von nur zwei benachbarten Zellen eine vollständige Depolarisation bewirkt werden kann. In der schematischen Darstellung von 9b ergibt sich etwa für einen Lichtspot „A“ immer eine Polarisationsrichtung unter 22.5° zur y-Richtung, wobei dies im Falle inkohärenter Überlagerung mit teilweiser und im Falle kohärenter Überlagerung mit vollständiger Polarisation erfolgt. Für den Lichtspot „B“ ergibt sich im Falle inkohärenter Überlagerung eine vollständige Depolarisation und im Falle kohärenter Überlagerung eine vollständige Polarisation mit Polarisationsrichtung unter 45° zur y-Richtung.
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Gemäß 10 kann durch Variation der Lage eines Lichtspots innerhalb einer Zelle 700 der rasterförmigen Anordnung des polarisationsbeeinflussenden Elements 710 auch ein beliebiger Zwischenzustand hinsichtlich der Polarisationsrichtung (zwischen 0° und 180°) erzielt werden. Da grundsätzlich ein Lichtspot mit vollständiger Kohärenz über den Lichtbündelquerschnitt erzeugt werden kann, kann die Einstellung solcher Zwischenzustände bzw. entsprechender gewünschter Beleuchtungssettings ohne DOP-Verlust, d. h. ohne Einbußen im Polarisationsgrad, erreicht werden.
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In den Beispielen wird jeweils davon ausgegangen, dass die Größe der Zelle 710 kleiner als die Größe der Kohärenzzellen der Laserlichtquelle 1 ist, und das ferner die Größe der Zellen 710 größer als die Ausdehnung des Lichtspots in der Pupillenebene ist, wobei beispielsweise die Kantenlänge der Zelle 710 im Wesentlichen dem Doppelten des Lichtspotdurchmessers entsprechen kann.
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In Ausführungsformen der Erfindung kann das vorstehend beschriebene, die rasterförmige Anordnung enthaltende bzw. parzellierte polarisationsbeeinflussende Element jeweils in der x-y-Ebene (vorzugsweise in x- und y-Richtung) verschiebbar sein. Hierdurch wird eine Justage ermöglicht, welche insbesondere bei Einsatz in Verbindung mit einem diffraktiven optischen Element (DOE) sinnvoll oder notwendig sein kann, um sicherzustellen, dass die jeweiligen Lichtspots auch die gewünschte Zelle bzw. Parzelle auf dem polarisationsbeeinflussenden Element treffen. Des Weiteren kann so auch eine Nachjustierung der durch das DOE eingestellten Beleuchtungsverteilung erfolgen. Bei Einsatz des die rasterförmige Anordnung enthaltenden bzw. parzellierten polarisationsbeeinflussenden Elements in Verbindung mit einer Spiegelanordnung (MMA) kann jede einzelne Lichtspotposition grundsätzlich auch mittels der Spiegelelemente des MMA nachjustiert werden, so dass das polarisationsbeeinflussende Element an den gewünschten Positionen getroffen wird.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/026843 A2 [0003]
- WO 2005/069081 A2 [0004]
- WO 2005/031467 A2 [0004]
- US 6191880 B1 [0004]
- US 2007/0146676 A1 [0004]
- WO 2009/034109 A2 [0004]
- WO 2008/019936 A2 [0004]
- WO 2009/100862 A1 [0004]
- DE 102008009601 A1 [0004]
- DE 102004011733 A1 [0004]
- DE 102007007907 A1 [0005]
- EP 2117034 A1 [0006]
