DE2419567A1 - Optisches system mit lichtquelle, kondensor und feldlinse - Google Patents

Description

7670-74 Dr.ν.ß/E
RCA 66,108
US-Ser.No. 354,644
Filed.April 26, 1973

RCA Corporation

tfew fork N.Y. (V.St.A.)

Optisches System mit Lichtquelle, Kondensor und

Feldlinse

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System mit einer Lichtquelle, einem Kondensor und einer Feldlinse, die der Reihe nach längs einer optischen Achse angeordnet sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein sogenanntes Schärfentiefe-Projektionssystem zum Erzeugen eines gleichmäßigen Lichtfeldes zur Herstellung von Kontaktkopien oder Kopien mit geringem Abstand zwischen der Kopiervorlage und dem Aufzeichnungsträger. Optische Systeme dieser Art werden insbesondere bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen benötigt, um ebene Schichten aus Photolack oder einer photographischen Emulsion durch eine Photomaske hindurch zu belichten, die sich entweder in Berührung mit oder in nahem Abstand von der lichtempfindlichen Schicht befindet.

09846/0809

Es sind Projektionskopiergeräte bekannt, bei denen das Bild einer transparenten Projektionsvorlage, die sich in einer Objektebene zwischen einem Kondensor und einem Projektionsobjektiv befindet, auf eine Bildebene zu projizieren, in der sich das dadurch zu belichtende lichtempfindliche Material befindet. Da die Projektionsvorlage eine ebene Folie oder Platte ist, wurde bei den bekannten Projektionsvorrichtungen, wie beispielsweise bei einem Dia-Projektor ein gut korrigiertes, rnehrgliedriges Objektiv verwendet, um ein scharfes Bild der Projektionsvorlage in der Bildebene zu gewährleisten. Die verschiedenen Elemente eines solchen hochkorrigierten Projektionsobjektiv bestanden gewöhnlich aus verschiedenen Gläsern mit verschiedenen Brechungsindizes, um die gewünschte Bildfeldebnung zu erreichen. Solche hochkorrigierten Projektionsobjektive sind jedoch verhältnismäßig teuer und sie haben wegen der vielen verschiedenen Elemente nur eine relativ geringe Transmission. Projektoren, in denen hochkollimierte Lichtquellen verwendet,werden, lassen außerdem bei Verwendung zur Reproduktion einer Photomaske auf eine Photolackschicht oder dgl. infolge starker Beugungseffekte und ungenügender Gleichmäßigkeit des Lichtfeldes zu xvünschen übrig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile zu vermeiden und ein optisches System anzugeben, das sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, für Licht einer vorgegebenen Frequenz eine hohe Transmission hat und trotzdem ein gleichmäßiges Lichtfeld liefert.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Bei dem optischen System gemäß der Erfindung wer·-

409846/0809

den nur drei unkorrigierte, preiswerte Plankonvexlinsen benötigt, die alle aus dem gleichen Material mit dem gleichen Brechungsindex bestehen können. Die Transmission für Licht in einem gewünschten Wellenlängenbereich ist daher besser als bei einem optischen System, das Linsen aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes enthält.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden optischen Systems bestehen der Kondensor aus zwei Plankonvexlinsen und die Feldlinse aus einer einzigen Plankonvexlinse. Bei Verwendung einer Quecksilberdampflampe als Lichtquelle sind die Linsen vorzugsweise aus Quarz, so daß ein Optimum an Durchlässigkeit für ultraviolettes Licht gewährleistet ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung näher erläutert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein optisches System zum Belichten einer lichtempfindlichen Fläche mit dem Bild einer transparenten Projektionsvorlage, die sich entweder in Berührung mit oder in nahem Abstand von der Projektionsvorlage befindet.

Das in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellte optische System 10 hat eine optische Achse 12, längs der seine Elemente angeordnet sind. Es ist dazu bestimmt, ein lichtempfindliches Element 14 durch eine transparente Projektionsvorlage 16 hindurch mit Licht zu exponieren. Bei der Reproduktion von Photomasken, wie sie bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen vorkommt, kann das lichtempfindliche Element 14, eine Glasplatte 18, eine auf dieser befindliche Chromschicht 20 und eine auf der Chromschicht 20 angeordnete Photolackschicht 22 enthalten. Das lichtempfindliche Element kann andererseits auch z.B. eine auf einer Siliciumschicht angeordnete Photolackschicht ent-

403846/0809

halten, welche belichtet und entwickelt oder geätzt wird, um Fenster für die Behandlung der Siliciumschicht zu bilden, wie es in der Halbleitertechnik allgemein üblich ist.

Die transparente Projektionsvorlage 16 enthält eine Photomaske mit einer Glasplatte 24 und einer Schicht 26, z.B. aus Chrom, welche ein zu reproduzierendes Muster bildet* Die Photolackschicht 22 des lichtempfindlichen Elements 14 befindet sich in Berührung mit oder nahe bei der das Muster bildenden Schicht 26 der Projektionsvorlage 16; die Schicht 26.liegt dabei in einer Bild-Lichtebene 28 des optischen Systems 10. Das lichtempfindliche Element 14 muß sich im Schärfen tief ebereich des optischen Systems 10 befinden und parallel zur Projektionsvorlage 16 angeordnet sein.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das optische System als Lichtquelle 30 eine Quecksilberdampflampe, insbesondere eine Quecksilberhochdrucklampe, die einen zylindrischen Quarzkolben mit einer Höhe von etwa 5 cm und einem Durchmesser von etwa 1,25 cm enthält, indem im Betrieb ein Quecksilberbogen 31 brennt. Der Quarzkolben befindet sich in einem stickstoffgefüllten Außenkolben 33 aus Borosilikatglas. Diese Angaben entsprechen einer 175 W-Quecksilberdampflampe, wie sie für die Straßenbeleuchtung üblich ist. Man kann selbstverständlich in dem vorliegenden optischen System 10 auch andere Lichtquellen verwenden, z.B. eine Reihe Grün emittierender Leuchtstofflampen, wenn eine photographische Silberhalogenidemulsion zu exponieren ist, oder eine wendeiförmige Xenonblitzröhre, wenn gewisse Photolacke mit relativ kurzen Belichtungszeiten exponiert werden sollen.

Der Quecksilberbogen 31 verläuft quer zur optischen Achse 12, vorzugsweise verläuft der Quecksilberbogen . 31 senkrecht zur optischen Achse 12 und wird durch diese halbiert.

A098A6/0809

Auf der optischen Achse 12 ist hinter der Licht- " quelle 30 ein konkaver Spiegel 35 angeordnet, um das nach rückwärts abgestrahlte Licht in Richtung der optischen Achse zu reflektieren und dadurch den Wirkungsgrad der Lichtquelle 30 zu verbessern.

Auf der optischen Achse 12 sind der Reihe nach ein Kondensor 32 und eine Feldlinse 34 angeordnet, die positiv konvexe Linsen enthalten können. Der Kondensor 32 enthält vorzugsweise zwei Plankonvexlinsen, die vorzugsweise aus Quarz bestehen und deren konvexe Flächen sich, wie dargestellt, mit geringem Abstand gegenüberliegen. Die Feldlinse 34 ist vorzugsweise eine einzige Plankonvexlinse, die vorzugsweise ebenfalls aus Quarz besteht und mit ihrer konvexen Fläche zum Kondensor 32 hin gerichtet ist. Die effektiven Brennweiten des Kondensors 32 und der Feldlinse 34 können z.B. 6,3cm bzw. 25,4 cm betragen. Zwischen dem Kondensor 32 und der Feldlinse 34 ist eine Aperturblende 36 angeordnet. Parallel zur Ebene der Aperturblende 36 ist ein Verschluß 38 angeordnet, der wie in der Kamera- und Projektionskopiertechnik üblich, quer zur Aperturblende bewegt werden kann. Der Verschluß 38 kann, wie bekannt, auch an einem anderen als dem dargestellten Ort längs der optischen Achse 12 angeordnet werden.

Der Kondensor 32 ist so angeordnet, daß ein Bild 40 des Quecksilberbogens 31 in die Eintrittspupille der Feldlinse 34 projiziert wird und das optische System 10 eine lineare Vergrößerung von beispielsweise etwa 4,5-fach hat. Da die Linsen des Kondensors 32 unkorrigiert sind, entsteht das reelle Bild 40 des Quecksilberbogens 31 nicht in einer Ebene, sondern in einer gekrümmten Fläche.

Bei dera dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Kondensor 32 und die Feldlinse 34 zusammen mit der Aperturblende 36 einem dreigliedrigen Projektionsobjektiv äqui-

4098A6/0809

-fr-

valent, das eine Länge von 27,9 cm, einen Durchmesser von 12,7 cm, eine effektive Brennweite von 9,7 cm und eine Lichtstärke f : 2,1 hat.

Die Bild-Lichtebene 28, in der sich die transparente Projektionsvorlage 16 befindet, kann als Bild einer gekrümmten Objekt-Lichtfläche 42 angesehen werden, die sich zwischen der Lichtquelle 30 und dem Kondensor 32 befindet, und umgekehrt. Die gekrümmte Ob jekt-üchtf lache 32 ist ein Teil eines Ellipsoids mit einer Krümmung, wie sie in der Zeichnung als Schnitt einer Ebene mit der Ellipsoidfläche dargestellt ist. In Wirklichkeit ist die gekrümmte Objekt-Lichtfläche 42 das Bild der Bild-Lichtebene 28, das durch das sowohl die Feldlinse 34 als auch den Kondensor 32 enthaltende Projektionsobjektiv entworfen wirf. Jeder.Punkt in der gekrümmten Objekt-Lichtebene 42 wird ebenfalls sowohl durch den Kondensor 32 und die Feldlinse 34 in die Bild-Lichtebene 28 abgebildet und umgekehrt. Wenn man also in die gekrümmte Objekt-Lichtebene 42 eine transparente Projektionsvorlage bringen könnte, so würde diese in die BiId-Lichtebene 28 abgebildet. Die Schärfentiefe und die Auflösung der Bild-Lichtebene 28 hängen von der Aperturblende 36, der effektiven Brennweite der Kombination aus Kondensor 32 und Feldlinse 34, die als Projektionsobjektiv angesehen werden kann, und der Wellenlänge des von der Lichtquelle 30 emittierten Lichtes ab. Bei dem dargestellten optischen System beträgt die Auflösung etwa 1 pm.

Die Anordnung der Bild-Lichtebene 28 bestimmt die Lage der gekrümraten Objekt-Lichtfläche 42« Mit anderen Worten gesagt wird jeder Punkt in der gekrümmten Objektlichtfläche 42, die in der Praxis ein Teil einer Ellipsoidflache ist, als vergrößerter Punkt in die Bild-Lichtebene 28 abgebildet. Bei dem dargestellten optischen System 10 sind der Kondensor 32

409846/0809

und die Feldünse 34 so angeordnet, daß die gekrümmte Objek-Lichtfläche 42 durch die Kombination aus Kondensor 32 und Feldlinse 34 mit etwa 4,5facher Vergrößerung in die Biid-Lichtebene 28 abgebildet wird. Unter diesen Umständen ist die Schärfen- oder Feldtiefe der gekrümmten Objekt-Lichtfläche 42 gleich der Feld- oder Schärfentiefe der Bild-Lichtebene 28 geteilt durch das Quadrat des Vergrößerungsfaktors. Für viele Photomaskenanwendungen kann die Schärfentiefe beispielsweise bis zu 25 ym betragen und die Schärfentiefe der gekrümmten Objekt-Lichtfläche 42 des als Ausführungsbeispiel dargestellten optischen Systems 10 beträgt in diesem Falle dann etwa 0,00013 cm;

Ein wichtiger Vorteil des optischen- Systems 10 besteht darin, daß diese sehr kleine Schärfentiefe der gekrümmten Objekt-Lichtfläche 42 in der Bild-Lichtebene 28 bis zu 2Ofach vergrößert wird. Unter diesen Umständen ergibt sich innerhalb des Schärfentiefebereiches der Bild-Lichtebene eine gleichmäßige, schwach divergente Lichtverteilung mit geringer Streuung, während außerhalb des abbildungs- oder Schärfentief ebereiches diffuse Lichtverhältnisse herrschen. Als Folge dieser Bedingungen arbeitet das vorliegende optische System offensichtlich nur innerhalb des Schärfentiefebereiches der Bild--Lichtebene 28 ähnlich wie die ein kollimiertes Lichtbündel liefernden bekannten Systeme, da im übrigen Teil des Strahlenganges diffuse Lichtverhältnisse herrschen. Das vorliegende optische System 10 wird wegen dieser Eigenschaften jedoch durch Beugung und visuelle Defekte weniger beeinträchtigt als die bekannten optischen Kollimierungssysteme.

Der Quecksilberbogen 31 der als Lichtquelle 30 verwendeten Quecksilberdampflampe hat eine Leuchtdichte- oder Kerzenstärkeverteilung entsprechend der Kurve 44, deren Krümmung der der gekrümmten Objekt-Lichtfläche 42 entgegengesetzt ist. Unter der Kerzenstärke- bzw. Leuchtdichteverteilungskurve

409846/0809

soll hier das Diagramm der Intensität des von der Lichtquelle unter verschiedenen Winkeln emittierten Lichtes verstanden werden. Je größer der Abstand eines Punktes auf dieser Kurve vom Quecksilberbogen 31 ist, umso größer.ist die Lichtintensität längs der Linie, die durch diesen Punkt und die Mitte des Quecksilberbogens 31 geht. Der hellste Punkt des Quecksilberbogens 31 liegt unter diesen Umständen auf der optischen Achse 12, so daß sich eine symmetrische Licht- oder Leuchtdichteverteilung der Lichtquelle 30 und damit eine gute Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke ergibt. Um ein Maximum an Helligkeit und Wirkungsgrad sowie an Gleichförmigkeit des Lichtes in der Bild-Lichtebene 28 zu erreichen, wird letztere so angeordnet, daß sie überall zwischen dem Kondensor 32 und der Lichtquelle 30 verläuft und vorzugsweise vom Außenkolben 33 der Lichtquelle 30 einen Abstand von etwa 6,3 mm hat. Wenn nämlich ein Teil der gekrümmten Objekt-Lichtfläche 42 den Außenkolben 33 und einen Teil des Kondensors 32 schneidet, werden Fehler in dem geschnittenen Material in die Bild-Lichtebene 28 abgebildet. Ein solcher Verlauf der Objekt-Ebene 28 soll daher vermieden werden.

Der Quecksilberbogen 31 emittiert Licht mit einer Wellenlänge in der Nähe von 365 nm. Der Kondensor 32 und die Feldlinse 34 sollen daher aus Quarz gemacht v/erden, um eine möglichst gute Transmission für das Licht dieser Wellenlänge zu gewährleisten. Die Transmission des Projektionsobjektivs aus den drei plankovexen Quarzlinsen des optischen Systems 10 beträgt etwa 90%.

Bei der Herstellung einer Kopie der transparenten Projektionsvorlage 16 auf das lichtempfindliche Element 14 wird letzteres mit Licht vom Quecksilberbogen 31 während einer Zeitspanne belichtet, die vom Typ der verwendeten Photolackschicht 22 abhängt. Das lichtempfindliche Element 14 wird

409846/0809

dann entwickelt und die Chromschicht 20 wird durch den entwickelten Photolack 22 hindurch geätzt/ wie es bei photolithographischen Verfahren üblich ist. Nach dem Ätzen wird der verbliebene Rest des entwickelten Photolacks 22 entfernt und man hat dann die gewünschte Kopie der Projektionsvorlage 16 auf dem Element 14.

Die beschriebene Schärfentiefekopiereinrichtung enthält also nur drei unkorrigierte plankonvexe Linsen, die aus einem Material mit dem gleichen Brechungsindex hergestellt werden können, um ein Maximum an Lichttransmission für eine spezielle Lichtwellenlänge zu gewährleisten. Dies ist für die Exponierung bestimmter Photolacke und lichtempfindlicher Emulsionen wichtig, die nur für Licht in relativ engen Spektralbereichen empfindlich sind oder empfindlich gemacht werden müssen. Die Auflösung des optischen Systems 10 wurde zu einem Achtel der Schärfentiefe der Bild-Lichtebene des Systems ermittelt. Im Gegensatz dazu beträgt die Auflösung der bekannten hochkollimierten optischen Projektionssysteme nur etwa ein Drittel des Abstandes zwischen der transparenten Projektions vorlage ι inc"! dem lichtempfindlichen Element, wenn diese ähnlich wie die Projektionsvorlage 16 und das Element 14 des optischen Systems 10 angeordnet sind.

Die für das optische System angegebenen Werte und Abmessungen stellen selbstverständlich nur Beispiele dar und sind nicht einschränkend auszulegen.

409846/0809

Claims (5)

1. Patentansprüche

   M.j Optisches System mit einer Lichtquelle, einem Kondensor und einer Feldlinse, die der Reihe nach längs einer optischen Achse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor (32) und die Feülinse (34) so angeordnet sind, daß eine von der Lichtquelle aus gesehen jenseits der Feldlinse (34) befindliche Bild-Lichtebene (28) in eine zwischen der Lichtquelle (30) und dem Kondensor (32) gelegene gekrümmte Objekt-Lichtfläche (42) abgebildet wird und umgekehrt.
2. 2. Optisches System nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (30) eine derart angeordnete Quecksilberdampflampe enthäZib, daß der in dieser im Betrieb brennende längliche Quecksilberbogen (31) auf der optischen Achse (12) liegt und quer zu dieser verläuft; daß zwischen dem Kondensor (32) und der Feldlinse (34) eine Aperturblende (36) angeordnet ist und daß jeder Punkt der gekrümmten Objekt-Lichtfläche durch die Kombination aus sowohl dem Kondensor (32) als auch der Feldlinse

   (34) vergrößert in die Bild-Lichtebene (28) abgebildet wird.
3. 3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor (32) aus zwei plankonvexen Quarzlinsen besteht, daß die'Feldlinse aus einer einzigen plankonvexen Quarzlinse besteht und daß die Kombination aus Kondensor und Feldlinse ein Projektionsobjektiv bildet.
4. 4. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (30) eine Quecksilberdampflampe zum Erzeugen eines Quecksil-

   409846/0809

   berbogens in einem transparenten Kolben enthält; daß die Lichtquelle im Betrieb eine Kerzenstärkenverteilungskurve (42) hat, deren Krümmung der der gekrümmten Objekt-Lichtfläche (42) entgegengesetzt ist und daß die gekrümmte Objekt-Lichtfläche (42) auf der optischen Achse (12) nahe bei dem Kolben (33) jedoch in geringem Abstand von diesem verläuft.
5. 5. Optisches System nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Objekt-Lichtfläche die Form eines Teiles eines Ellipsoides hat; daß die Lichtquelle im Betrieb eine Kerzenstärkenverteilungskurve (44) hat, bei der die größte Lichtintensität von der Lichtquelle auf der optischen Achse (12) liegt und daß die Krümmungen der Kerzenstärkeriverteilungskurve (44) und der gekrümmten Objekt-Lichtfläche (42) einander im wesentlichen entgegengesetzt sind.

   409846/0809

   Leerseite