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Die
Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Projektionsbelichtungsanlage ist aus der
EP 1 063 684 A1 bekannt.
Dort wird zur Verringerung störender
Abbildungseinflüsse
der doppelbrechenden optischen Elemente die Projektionsoptik derart
ausgelegt, daß der
Betrag der doppelbrechenden Gesamtwirkung der Projektionsoptik über den
gesamten Querschnitt hinweg annähernd
Null ist. Eine derartige Optimierungsvorschrift ist sehr stringent
und kann nur bei ausgewählten
Objektivdesigns erreicht werden.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsbelichtungsanlage
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß der unerwünschte Einfluß doppelbrechender
Elemente auf die Abbildungseigenschaften der Projektionsoptik in
leichter umsetzbarer Weise reduziert ist.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
eine Projektionsbelichtungsanlage mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen.
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Es
wurde erkannt, daß es
zur Verbesserung von durch doppelbrechende Eigenschaften der optischen Elemente
der Projektionsoptik beeinträchtigten
Abbildungseigenschaften ausreicht, die Projektionsoptik so auszulegen,
daß sie
für alle
Abbildungsstrahlrichtungen einen von Null verschiedenen näherungsweise
konstanten Betrag der Doppel brechung aufweist. Wie optische Rechnungen
gezeigt haben, führt
schon eine derartige Auslegung der Projektionsoptik zu einer deutlichen
Verbesserung ihrer Abbildungseigenschaften, insbesondere zu einer
Kontrastverbesserung. Eine von Null verschiedene näherungsweise
konstante Doppelbrechung läßt sich
jedoch, da nur auf einen im Prinzip beliebigen konstanten Wert der
Doppelbrechung kompensiert werden muß, vergleichsweise einfach
erreichen. Eine derartige Kompensation ist daher auch für Projektionsoptiken
zugänglich,
bei denen eine Kompensierung auf Null nicht möglich wäre.
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Ein
optisches Elemente gemäß Anspruch
2 läßt sich
relativ einfach herstellen und präzise an vorgegebene doppelbrechende
Eigenschaften anpassen.
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Neben
einer Politur des optischen Elements, also einem Materialabtrag,
läßt sich
eine Beeinflussung der Doppelbrechung auch durch eine Beschichtung
gemäß Anspruch
3 erreichen. Hierdurch lassen sich z. B. großflächigere bzw. symmetrische Dickenvariationen
einfacher realisieren als durch einen Materialabtrag.
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Ein
optisches Element gemäß Anspruch
4 läßt sich
präzise
an vorgegebene Doppelbrechungs-Anforderungen anpassen.
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Vorgaben
für die
einzustellende Doppelbrechungsverteilung, die eine Symmetrie aufweisen,
die der Kristallsymmetrie eines verfügbaren doppelbrechenden optischen
Materials entsprechen, lassen sich durch ein optisches Element gemäß Anspruch
5 besonders einfach umsetzen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert; es
zeigen:
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1 die doppelbrechende Wirkung
eines Projektionsob jektivs einer Projektionsbelichtungsanlage in einer
Pupillenebene in einer schematischen Darstellung;
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2 u. 3 die Polarisationszustände eines
Projektionslichtbündels
vor (2) bzw. nach (3) dem Durchtritt durch
das Projektionsobjektiv mit einer doppelbrechenden Wirkung gemäß 1;
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4 eine zu 1 ähnliche
Darstellung der doppelbrechenden Wirkung eines alternativen Projektionsobjektivs;
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5: ein Diagramm, welches
die Abhängigkeit
des Mittelwerts einer Phasendifferenz, die aufeinander senkrecht
stehende Polarisationen beim Durchgang durch das Projektionsobjektiv
der 1 oder 4 erfahren, vom Radius der
Subapertur des Projektionsobjektivs gemäß den 1 oder 4 im
Vergleich zu einem unkorrigierten Projektionsobjektiv darstellt;
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6: ein Diagramm der Standardabweichung
der Phasendifferenzen gemäß 5.
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1 zeigt in einer schematischen
Darstellung die doppelbrechende Wirkung eines erfindungsgemäßen Projektionsobjektivs
in einer Pupillenebene. Dargestellt ist eine einzige optische Komponente 1 mit
einer doppelbrechenden Wirkung, die derjenigen des Projektionsobjektivs
in der Pupillenebene äquivalent
ist.
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Jede
Kombination optischer Elemente J
i (i = 1,
..., N; N: Anzahl der optischen Elemente) mit doppelbrechender optischer
Wirkung läßt sich
durch eine die gesamte doppel brechende Wirkung beschreibende äquivalente
optische Komponente
1 beschreiben. Hierbei gilt (n Produktsymbol):
J
Ret fasst hierbei die retardierenden Wirkungen
der einzelnen optischen Elemente zu einem einzigen äquivalenten
Retarder zusammen.
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αΦ ist die
Phasendifferenz zwischen aufeinander senkrecht stehenden Polarisationen,
die durch den äquivalenten
Retarder erzeugt wird. Diese Phasendifferenz ist proportional zur
Längendifferenz
der Hauptachsen der Projektion des Dielektrizitätstensors der optischen Komponente 1 auf
die Zeichenebene der 1.
Die Projektion ist dort durch eine Pfeildarstellung veranschaulicht.
Hierbei geht jeweils ein Paar rechtwinklig aufeinander stehender
Pfeile vom selben Ursprung aus und verdeutlicht die doppelbrechende
Wirkung am Ort dieses Ursprungs. Die beiden Pfeile 2, 3,
die von einem Ursprungspunkt ausgehen, stehen für die Dielektrizitätskonstante
der optischen Komponente 1 längs dessen langsamer Achse
am Ursprungsort (Pfeil 2) sowie längs der hierzu senkrechten
Achse (Pfeil 3). Die Pfeile 2, 3 entsprechen
daher den Hauptachsen der durch die Projektion des Dielektrizitätstensors
auf die Zeichenebene der 1 entstehenden
Ellipse 4.
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α steht für den Winkel
zwischen der langsamen Hauptachse 2 eines Pfeilpaars und
einer festen Bezugsachse, die in 1 horizontal
verläuft.
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Die
polarisationsdrehende Wirkung der optischen Komponente 1 wird
in der Gleichung (1) durch einen äquivalenten Rotator, JRot, beschrieben. Hierbei bezeichnet β den Winkel
zwischen der langsamen Hauptachse 2 und der in 1 durch einen gestrichelten
Pfeil angedeuteten Polarisationsrichtung 5 des einfallenden
Projektionslichts.
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Zur
Veranschaulichung sind die Pfeildarstellungen im rechten oberen
Quadranten der 1 relativ dicht
ausgeführt.
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Die
doppelbrechende Wirkung der optischen Komponente 1 gemäß 1 ist radialsymmetrisch,
wobei die langsame Hauptachse 2 an jedem Ort der optischen
Fläche
der optischen Komponente 1 in radialer Richtung verläuft. Die
Längen
der Hauptachsen 2, 3 sind für alle Pfeilpaare gleich und
damit unabhängig
vom Durchtrittsort durch die optische Komponente. Damit ist auch
die Differenz der Brechungsindizes und somit auch die Phasenverzögerung bzw.
Phasendifferenz δΦ an jedem
Ort der optischen Komponente 1 konstant.
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Einer
derartige konstante Phasendifferenz entspricht ein konstanter Betrag
der Doppelbrechung über den
Querschnitt des Projektionslichtbündels für jedem einzelnen Feldpunkt
zugeordnete Abbildungsstrahlen.
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Die
doppelbrechende Wirkung der optischen Komponente 1 auf
einfallendes Projektionslicht verdeutlichen die 2 und 3.
Diese zeigen Polarisationszustände
eines Nutzlichtbündels 9 vor
(2) und nach (3) dem Durchtritt durch
das optische Element 1. Vor dem Durchtritt durch das optische
Element 1 ist das Nutzlichtbündel 9 über seinen
Querschnitt linear in in 2 horizontaler
Richtung polarisiert, was durch die schematischen Pfeile 6 innerhalb
des Querschnitts des Nutz lichtbündels 9 in 2 dargestellt ist.
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Nach
dem Durchtritt durch das optische Element 1 ergibt sich
ein Polarisationszustand des Nutzlichtbündels 9 wie in 3 dargestellt. Dort ist
der Polarisationszustand im rechten oberen Quadranten des Nutzlichtbündels 9 verglichen
mit den anderen drei Quadranten dichter im Detail dargestellt.
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Überall dort,
wo die Pfeile 6 des Polarisationszustands des Nutzlichtbündels 9 vor
dem Durchtritt durch das optische Element 1 parallel zu
einer der Hauptachsen 2, 3 der Projektion des
Dielektrizitätstensors
des optischen Elements 1 verlaufen, bleibt die Polarisation
des Nutzlichtbündels 9 unverändert, so
daß sich
in 3 ein das Nutzlichtbündel 9 in
vier Quadranten unterteilendes Kreuz unveränderter Polarisation ergibt. Längs der
Winkelhalbierenden dieser Quadranten ist die Polarisation des Nutzlichtbündels 9 um
90° zur
ursprünglichen
Polarisationsrichtung gedreht, verläuft dort also in in 3 vertikaler Richtung. Längs dieser
Winkelhalbierenden nimmt die Polarisation des Nutzlichtbündels 9 vor
dem Durchtritt durch das optische Element 1 einen 45°-Winkel zu
den Hauptachsen der Projektion des Dielektrizitätstensors des optischen Elements 1 ein,
so daß sich
aufgrund einer Lambda/2-Wirkung des optischen Elements 1 die
genannte Polarisationsdrehung um 90° nach dem Durchtritt des Nutzlichtbündels 9 durch
das optische Element 1 ergibt.
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Zwischen
den vorstehend diskutierten Bereichen linearer Polarisation nach
dem Durchtritt des Nutzlichtbündels 9 durch
das optische Element 1 liegen Bereiche zirkularer bzw.
elliptischer Polarisation des Nutzlichtbündels 9 vor, die durch
Polarisationskreise 7 bzw. Polarisationsellipsen 8 in 3 wiedergegeben sind. Das
Verhältnis der
Längen
der Hauptachsen dieser zirkularen bzw. elliptischen Polarisationen
ist eine Funktion des Winkels der ursprünglichen Polarisation des Nutzlichtbündels 9 vor
dem Durchtritt durch das optische Element 1 zu den Hauptachsen 2, 3 der
Projektion des Dielektrizitätstensors
des optischen Elements 1 im an dieser Stelle vom Nutzlichtbündel 9 durchstrahlten
Bereich.
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4 zeigt eine alternative
Ausführungsform
einer optischen Komponente. Figurenbestandteile, die denjenigen
entsprechen, die schon unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben
wurden, tragen um jeweils 100 erhöhte Bezugszeichen und werden
nicht nochmals im einzelnen erläutert.
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Bei
der optischen Komponente 101 liegt keine Radialsymmetrie
der doppelbrechenden Wirkung vor, wie dies bei der optischen Komponente 1 der 1 der Fall war. Vielmehr
liegen die Hauptachsen 102, 103 bezüglich des
Winkels α in
einer komplett regellosen Verteilung vor, so daß ausgehend von einem ersten
Ursprungsort einer Pfeildarstellung der doppelbrechenden Wirkung
nicht auf die Orientierung der langen Hauptachse eines benachbart
gelegenen Ursprungsort geschlossen werden kann. Die Phasendifferenz δΦ ist wie bei
der Ausführungsform
nach 1 auch für die optische
Komponente 101 über
deren gesamte optische Fläche
konstant.
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Ausgehend
vom Zentrum der optischen Komponente 101, d. h. vom Durchstoßpunkt der
optischen Achse des Projektionsobjektivs, welches durch die optische
Komponente 101 beschrieben wird, sind in 4 beispielhaft zwei Subaperturen mit
Radien R1, R2 dargestellt.
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Für optische
Komponenten nach Art der optischen Komponenten 1, 101 zeigt 5 mit vollen Quadraten die
Abhängigkeit
von Mittelwerten der Phasendifferenz δΦ vom Radius der Subapertur.
Gemittelt wird über
die Fläche
der Subapertur.
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Der
Radius ist in willkürlichen
Einheiten zwischen 0 und 30, die Phasendifferenzmittelwerte sind
in ° angegeben.
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Bei
Subaperturen mit einem Radius zwischen 5 und ca. 21 ist der Mittelwert
der Phasendifferenz näherungsweise
konstant und hat einen Wert von ca. minus 165°. Erst bei höheren Subaperturradien steigt
der Mittelwert der Phasendifferenz bis auf einen Wert von ca. minus
120° an.
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Im
Vergleich hierzu ist in 5 zusätzlich noch
die Abhängigkeit
des Mittelwerts der Phasendifferenz vom Subaperturradius bei einer
optischen Komponente, die analog zu den oben beschriebenen optischen Komponenten 1, 101 ein
herkömmliches
Projektionsobjektiv beschreibt, mit vollen Rauten dargestellt. Dort steigt
der Mittelwert der Phasendifferenz mit dem Subaperturradius kontinuierlich
zwischen ca. minus 145° und ca.
45° an.
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6 zeigt den Verlauf der
Standardabweichung der Phasendifferenz bei den optischen Komponenten
gemäß 5. Im wesentlichen entspricht
der Verlauf der Standardabweichung demjenigen der oben beschriebenen
Mittelwerte.
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Ein
Projektionsobjektiv, dessen doppelbrechende Wirkung mittels einer
optischen Komponente nach 1 oder 4 beschrieben werden kann,
wird hergestellt, indem bei der Fertigung bzw. der Justage des Projektionsobjektivs
sowohl die skalaren Aberrationen als auch Abbildungsfehler, die
durch polarisationsoptische Wir kungen der optischen Elemente des
Projektionsobjektivs hervorgerufen werden, korrigiert werden. Hierbei
dient als Zielgröße für die einzustellende
Phasendifferenz δΦ nicht der
Wert 0, sondern es wird ein Zustand angestrebt, bei dem unabhängig vom
absoluten Wert der Phasendifferenz der optischen Komponente eine über die
Fläche
zumindest näherungsweise
konstante Phasendifferenz erzeugt wird.
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Freiheitsgrade
für die
Optimierung bilden z. B. die lokalen Dicken der optischen Elemente.
Diese können
durch entsprechende Bearbeitung, alternativ oder zusätzlich auch
durch entsprechende Beschichtung geändert werden. Zudem können zusätzliche
doppelbrechend wirkende optische Elemente in die Projektionsoptik
eingesetzt werden, um insgesamt die Wirkung der oben beschriebenen
optischen Komponenten 1, 101 zu erzielen. Derartige
zusätzliche
optische Elemente können
solche sein, die aus spannungsdoppelbrechendem Material bestehen
und eine vorgegebene innere Spannungsverteilung aufweisen. Ferner
können
zur Optimierung der doppelbrechenden Wirkung optische Elemente aus
Kristallmaterialien eingesetzt sein, welche mit vorgegebener Orientierung
zur optischen Achse der Projektionsoptik angeordnet sind.
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Die
Optimierung erfolgt ausgehend von Messungen oder Simulationsrechnungen
zur polarisationsoptischen Wirkung des Projektionsobjektivs. Das
Optimierungsverfahren kann auf bekannten Verfahren wie Monte-Carlo-Simulation,
Simulated Annealing, Threshold Accepting oder genetischen Algorithmen
basieren.
