DE19533314C2 - Abbildungsoptik zum verkleinernden Abbilden eines Lichtstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abbildungsoptik zum verkleinernden Abbilden eines Lichtstrahls, der eine inhomogene Intensitätsver­ teilung mit höherer Intensität in der Strahlmitte als am Strahl­ rand hat. Insbesondere kann es sich dabei um einen von einem Excimerlaser emittierten Lichtstrahl handeln (der Begriff "Licht" erfaßt hier also auch den UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums).

Ein als solches bekanntes Schwarzschild-Objektiv ist für eine verkleinernde Abbildung eines von einem Excimerlaser emittierten Lichtstrahles gut geeignet. Aufgrund der bei Schwarzschild-Objek­ tiven üblichen Anordnung von zwei Spiegeln wird aber die Trans­ mission solcher Objektive durch Abschattung eines Teils des eingestrahlten Lichtes erheblich beeinträchtigt. Der abgeschatte­ te (also verlorengehende) Bereich des Lichtstrahls liegt in der Mitte des Objektiveingangs.

Excimerlaser emittieren kohärente UV-Lichtstrahlen hoher Intensi­ tät und werden insbesondere in der industriellen Fertigung, der Medizin und der Forschung eingesetzt. Ein besonderer Anwendungsbe­ reich ist die Röntgenlithografie.

Der vom Excimerlaser emittierte (noch nicht optisch manipulierte) Lichtstrahl hat in der Regel keine gleichförmige Intensitätsvertei­ lung über seinen Querschnitt. Der von einem Excimerlaser abgege­ bene Laserstrahl hat etwa Rechteckform mit Abmessungen von etwa 10 mal 30 mm. Dabei spricht man in Bezug auf die Rechteckform von einer kurzen Achse (also z. B. 10 mm lang) und einer langen Achse (also z. B. 30 mm lang). Für eine Vielzahl von Anwendungen muß dieser Strahl optisch stark verkleinernd abgebildet werden. Darüber hinaus wird bei einer Vielzahl von Anwendungen auch eine Homogenisierung der Strahlintensität verlangt, d. h. eine Vergleichmäßigung der Intensitätsverteilung des Strahls über seinen Querschnitt.

Die DE-A-42 20 705 (entsprechend das US-Patent 5,414,559) be­ schreibt eine Optik zum Homogenisieren von insbesondere Exci­ merlaserstrahlen. Auch die DE 38 29 728 A1, die DE 38 41 045 A1 und die DE 195 20 187 A1 beschreiben Homogenisieroptiken. Der genannte Stand der Technik wird nachfolgend als bekannt voraus­ gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abbildungsoptik zum verkleinernden Abbilden eines Lichtstrahles, der eine inhomo­ gene Intensitätsverteilung hat, insbesondere zum Abbilden eines von einem Excimerlaser emittierten Lichtstrahles, bereitzustel­ len, die ein Schwarzschild-Objektiv verwendet und dabei eine möglichst hohe Transmission des Objektivs erreicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 beschrieben.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Schwarzschild-Objektive sind beschrieben und erhältlich gemäß z. B. Katalog der Firma EALING, z. B. Ausgabe 1993, Seite M 16 ff (zu erhalten über Firma EALING ELECTRO-OPTICS plc, Greycaine Road, Watford WD2 4PW, England).

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Abschattungsbereich und die Öffnungsblende eines Schwarzschild-Objektivs;

Fig. 2 schematisch eine Intensitätsverteilung eines nicht erfindungsgemäß optisch verarbeiteten Excimerlaser- Lichtstrahles;

Fig. 3 schematisch eine Intensitätsverteilung eines Excimerlaser-Lichtstrahles ebenfalls ohne erfindungs­ gemäße optische Verarbeitung des Lichtstrahles;

Fig. 4 schematisch eine Intensitätsverteilung eines in ein Schwarzschild-Objektiv eintretenden, erfindungsgemäß optisch verarbeiteten Excimerlaser-Lichtstrahles;

Fig. 5 schematisch eine Abbildungsoptik zur Erzeugung eines Lichtstrahles gemäß Fig. 4 in Richtung der kurzen Achse;

Fig. 6 die Abbildungsoptik entsprechend Fig. 5 in Richtung der langen Achse,

Fig. 7 schematisch einen Schnitt durch ein Schwarzschild- Objektiv,

Fig. 8 und 9 den Strahlengang für die schmale Achse bzw. die lange Achse bei den Abbildungsoptiken gemäß Fig. 5 und 6 und

Fig. 10 schematisch eine Intensitätsverteilung bei Einsatz von Biprismen für die lange Achse des Laserstrahls.

Ein als solches lange bekanntes Schwarzschild-Objektiv weist gemäß Fig. 1 einen Abschattungsbereich A in der Mitte auf und eine dazu konzentrische Öffnungsblende B. Im kreisförmigen Ab­ schattungsbereich A auf das Schwarzschild-Objektiv auftreffende Strahlung wird ausgeblendet und trägt nicht zur Abbildung des Lichtstrahles bei, geht also für die Transmission des Objektivs verloren. Nur in den Kreisring zwischen dem Abschattungsbereich A und der äußeren Öffnungsblende B des Objektivs eintretende Strahlung trägt zur Abbildung bei. Bei zur Abbildung von Licht­ strahlen, die von einem Excimerlaser emittiert werden, verwende­ ten Schwarzschild-Objektiven liegt die Fläche des Abschattungs­ bereiches A typischerweise im Bereich von 15 bis 30% der Gesamt­ fläche (Flächeninhalt des Kreises B von Fig. 1).

Um eine möglichst hohe Transmission des Schwarzschild-Objektivs zu erreichen, muß möglichst viel Licht außerhalb des abschatten­ den Bereichs A eingestrahlt werden. Dabei muß aber auch die Strahlung so gestaltet sein, daß das eingestrahlte Licht auch vollständig auf den inneren Spiegel des Schwarzschild-Objektivs trifft (vgl. auch Fig. 7). Daraus folgt, daß es besonders günstig ist, wenn die Laserenergie möglichst vollständig in den Kreisring zwischen A und B konzentriert wird.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Intensitätsverteilung über den Querschnitt eines von einem Excimerlaser emittierten Lichtstrahls, der mit einem als solches bekannten Homogenisierer (vgl. den eingangs zitierten Stand der Technik) verarbeitet worden ist, unter Verwendung eines entsprechenden Teleskops und bei quadrati­ scher Ausleuchtung des Homogenisierers. In den Fig. 2, 3 und 4 entsprechen die Grauwerte den örtlichen Lichtintensitäten, d. h. ein voll geschwärztes Quadrat entspricht höchster Lichtintensität, während ein weißes Quadrat verschwindende Lichtintensität anzeigt. Die unterschiedliche horizontale (also in Querrichtung von Fig. 2 gesehen) und vertikale Verteilung der Lichtintensitäten wird durch den unterschiedlichen Intensitätsverlauf des vom Excimer­ laser emittierten Impulses verursacht. Die Verteilung der Licht­ intensität in Richtung der kurzen Achse (in den Figuren vertikal, d. h. von oben nach unten) entspricht dabei einem Gauß-Profil, während die lange Achse (hier horizontal gezeichnet) eine Intensi­ tätsverteilung mit einem Plateau hat und mit Gauß-ähnlichem Abfall an den Rändern.

Bei einer Strahlgestaltung gemäß Fig. 2 wird also ein wesentli­ cher Anteil des Laserstrahls durch den Bereich A (Fig. 1) abge­ schattet und trägt nicht zur Transmission des Schwarzschild-Ob­ jektivs bei.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine erfindungsgemäße Abbildungsoptik, wobei Fig. 5 einen Schnitt entlang der kurzen Achse des rechtecki­ gen, von einem Excimerlaser emittierten Lichtstrahls zeigt, während Fig. 6 einen entsprechenden Schnitt entlang der langen Achse des Lichtstrahls darstellt.

Der Lichtstrahl verläuft von links nach rechts. Vom Excimerlaser wird ein rechteckiger, oben beschriebener Lichtstrahl 10 abgege­ ben. Der vom Excimerlaser abgegebene rechteckige Lichtstrahl wird zunächst durch ein Teleskop (in den Figuren nicht darge­ stellt) geleitet, welches den Strahl in seinen Abmessungen dem Eingang eines weiter unten beschriebenen Homogenisierers anpaßt. Die Fig. 2 bis 4 zeigen Ergebnisse, die erhalten werden, wenn der Homogenisierer quadratisch ausgeleuchtet wird. In Rich­ tung der kurzen Achse (Fig. 5) ist ein Biprisma 12a, 12b angeord­ net, welches außenliegende Strahlanteile nach innen umlenkt und innenliegende Strahlanteile nach außen umlenkt, also eine Inver­ sion der Strahlanteile in Bezug auf die Strahlachse X durchführt. Nach Durchgang durch das Biprisma 12a, 12b durchläuft der Strahl einen Homogenisierer 14a, 14b (als solches dem oben zitierten Stand der Technik zu entnehmen) und danach eine Kondensorlinse 16a des Homogenisierers und danach eine Feldlinse 16b. Der so optisch verarbeitete Strahl wird auf eine Beleuchtungsebene 18 homogen abgebildet. Die Beleuchtungsebene 18 ist die Objektebene für ein sich anschließendes Schwarzschild-Objektiv 20, in das die Strahlung eintritt, um stark verkleinernd auf eine Bildebene 22 des Schwarzschild-Objektivs (Fig. 7) abgebildet zu werden.

Wie Fig. 6 zeigt, entspricht die Abbildungsoptik für die lange Achse des Strahls der in Fig. 5 gezeigten Abbildungsoptik für die kurze Achse, mit der Ausnahme, daß die Biprismen 12a, 12b nur in Richtung der kurzen Achse wirken, nicht aber in Richtung der langen Achse.

Fig. 7 zeigt schematisch hier interessierende Einzelheiten in Bezug auf das Schwarzschild-Objektiv 20, nämlich die Beleuchtungs­ ebene 18, in der ein Objekt 24 als Pfeil angedeutet ist. Aufgrund des als solches bekannten Strahlenganges im Schwarzschild-Objek­ tiv, welches die Spiegel 20a und 20b aufweist, wird das Objekt 24 stark verkleinert als Abb. 24' in der Bildebene 22 des Schwarzschild-Objektivs 20 abgebildet. Fig. 7 zeigt auch noch einmal den zentralen Abschattungsbereich A des Schwarzschild- Objektivs und dessen Öffnungsblende B (vgl. auch Fig. 1).

Fig. 3 zeigt eine Intensitätsverteilung über den Querschnitt des Strahls bei Eintritt in ein Schwarzschild-Objektiv, wenn Biprismen der in Fig. 5 gezeigten Art für beide Achsen des Strahls eingesetzt werden (also anders als in der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß den Fig. 5 und 6). Gemäß Fig. 3 geht in der Strahlmitte die Strahlintensität gegen Null, d. h. die zentrale Abschattung A wirkt sich kaum noch negativ hinsichtlich der Transmission des Objektivs aus. Nachteilig ist aber bei der Intensitätsverteilung gemäß Fig. 3, daß hinsichtlich einer mög­ lichst vollständigen und homogenen Ausleuchtung des Schwarzschild- Objektivs (möglichst minimale Belastung der Spiegeloberflächen) sehr starke Intensitätsspitzen weit außen am Strahlprofil auftre­ ten, die beim Durchgang durch das Schwarzschild-Objektiv nicht mehr auf den inneren Spiegel (20a) treffen, also abgeschnitten werden.

Fig. 4 zeigt die mit einer Abbildungsoptik gemäß den Fig. 5 und 6 erreichte, optimale Ausleuchtung des Schwarzschild-Objektivs. In Fig. 4 sind auch schematisch die Öffnungsblende B des Schwarz­ schild-Objektivs 20 und dessen Abschattungsbereich A eingezeich­ net. Wie Fig. 4 unmittelbar zeigt, geht trotz der zentralen Abschattung kaum Intensität verloren und fast die gesamte Strah­ lung tritt weitgehend gleichförmig in den wirksamen Bereich des Objektivs ein und trägt zur Abbildung bei, so daß das Objektiv eine sehr hohe Transmission aufweist.

Als besonders vorteilhaft hat sich dabei die Verwendung von Prismen 12a, 12b herausgestellt, die wesentlich schmaler sind als der Beleuchtungsstrahl. Die Breite der Prismen hängt ab von der Größe des zentralen Abschattungsbereiches A.

Die Fig. 8 und 9 zeigen die Strahlengänge bei den optischen Anordnungen gemäß den Fig. 5 und 6, d. h. Fig. 8 zeigt den Strahlengang für die kurze Achse und Fig. 9 zeigt den Strahlengang für die lange Achse. In Fig. 8 ist durch mehr bzw. weniger Schwär­ zung von Kästchen (26) die Intensitätsverteilung wiedergegeben, je dunkler das Kästchen, umso mehr Energie hat der Strahl an dieser Stelle.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfin­ dung werden die Biprismen für die kurze Achse eingesetzt. Grund­ sätzlich ist es aber auch möglich, die Biprismen anstelle der kurzen Achse für die lange Achse einzusetzen. Dabei muß die Intensitätsverteilung des einfallenden Lichtstrahls berücksichtigt werden. Im Falle einer Verteilung entsprechend Fig. 2 ergäbe sich bei Einsatz der Biprismen für die lange Achse eine Intensi­ tätsverteilung gemäß Fig. 10. Wie Fig. 10 zeigt, befindet sich im abgeschatteten Bereich des Schwarzschild-Objektivs mehr Energie als bei Einsatz der Biprismen für die kurze Achse (Fig. 4). Dies muß aber nicht allgemein immer so sein. Vielmehr hängt die Intensitätsverteilung von der Ausleuchtung des verwendeten Homoge­ nisierers ab, d. h. von dem verwendeten Teleskop (siehe oben). Normalerweise ist es aber das Ziel, die Teleskopanordnung so zu gestalten, daß die Gesamtenergie des Strahles auf eine möglichst große Fläche der Spiegel des Schwarzschild-Objektivs verteilt wird. Dies wird im allgemeinen durch Einsatz der Biprismen für die kurze Achse erreicht, weshalb diese Variante in der Regel vorzuziehen ist. Bei Einsatz der Biprismen nur für die lange Achse ist die Intensität über einen großen Bereich relativ groß, fällt aber an den Rändern steil ab, während bei Einsatz der Biprismen für die kurze Achse nur ein kleiner Bereich durch hohe Intensität gekennzeichnet ist, die dann in Richtung der Ränder Gauß-förmig abfällt.

Eine Verwendung der Biprismen für beide Achsen führt zu ungünsti­ geren Intensitätsverteilungen, weil Intensitätsmaxima aus dem Zentrum des Strahlprofils in die äußeren Ecken verlagert würde. Auch ist eine solche Anordnung nicht vorzuziehen, weil der appara­ tive Aufwand gegenüber einem Einsatz der Biprismen für nur eine Achse erhöht wäre.

Claims (3)

1. Abbildungsoptik zum verkleinernden Abbilden eines von einem Excimerlaser emittierten Lichtstrahls (10), der einen etwa recht­ eckförmigen Querschnitt mit einer kurzen Achse und einer langen Achse und eine inhomogene Intensitätsverteilung mit höherer Intensität in der Strahlmitte als am Strahlrand hat, mit einem Schwarzschild-Objektiv (20), das mittig eingestrahltes Licht abschattet, und einer optischen Einrichtung (12a, 12b) zum Ändern der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung derart, daß der in das Schwarzschild-Objektiv (20) eintretende Lichtstrahl in der Mitte eine geringere Intensität hat als außen, wobei die opti­ sche Einrichtung (12a, 12b) zum Ändern der Intensitätsverteilung ein Biprisma ist, das nur in Richtung einer der Achsen wirkt.

2. Abbildungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biprisma (12a, 12b) in Richtung der kurzen Achse wirkt.

3. Abbildungsoptik nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Biprisma (12a, 12b) in Richtung der langen Querschnittsachse des Laserstrahls nur einen Teil des Laserstrahls erfaßt (Fig. 9).