DE2419567B2 - Einrichtung zur gleichmäßigen Beleuchtung einer Projektionsvorlage - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung -to gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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 projiziert wird, in der sich das zu belichtende lichtempfindliche Material befindet. Da die Projektionsvorlage eine ebene Folie oder Platte ist, enthalten die bekannten Projektionsvorrichtungen ähnlich wie ein Diaprojektor ein gut korrigiertes, mehrgliedriges Objektiv, damit ein scharfes Bild der Projektionsvorlage in der Bildebene gewährleistet ist. Solche hochkorrigierten Projektionsobjektive sind aufgrund ihrer optischen Konstruktion verhältnismäßig teuer und haben außerdem wegen der vielen verschiedenen Elemente nur eine reiativ geringe Transmission. Projektoren, in denen kollimierte Lichtquellen verwendet werden, lassen außerdem bei Verwendung zur Reproduktion einer Photomaske auf eine Photolackschicht oder dergl. infolge starker Beugungseffekte und ungenügender Gleichmäßigkeit des Lichtfeldes zu wünschen übrig.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Beleuchtungseinrichtung angegeben werden, die eine Projektionsvorlage so zu beleuchten gestattet, daß einerseits Beugungseffekte verringert, andererseits jedoch eine hinreichend scharfe Abbildung bei hoher Beleuchtungsstärke auch bei geringem Abstand der lichtempfindlichen Schicht von der Projeklionsvorlage erzielt wird.

Hierzu sind sowohl die bekannten hochkollimierten Beleuchtungssysteme als auch die bekannten optischen Systeme zur Projektion eines kleinen Diapositivs (selbst wenn diese nur zur Projektion eines kleinen Lichtflecks dienen würden) ungeeignet.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung des Beleuchtungssystems mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Bei dem Beleuchtungssystem gemäß der lirfindung werden 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 Ausführungsbeispi.jl 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 Beleuchtungssystem 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 Siiiciumschicht angeordnete Photolackschicht enthalten, welche belichtet und entwickelt oder geätzt wird, um Fenster für die Behandlung der Siiiciumschicht 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 Bildebene 28 des optischen Systems 10. Das lichtempfindliche Element 14 muß sich im Schärfentiefebereich des Beleuchtungssystems 10 befinden und parallel zur Projektionsvorlage 16 angeordnet sein.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Beleuchtungssystem 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, in dem 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 Beleuchtungssystem 10 auch andere Lichtquellen verwenden, z. B. eine Reihe grün emittierender Leuchtstofflampen, wenn eine photographische Silberhalogenidemulsion zu exponieren ist, oder eine wendelförmige Xenonblitzröhre, wenn gewisse Photolacke mit relativ kurzen Belichtungszeiten exponiert werden sollen.

Der Quecksilberbogen 31 verläuft senkrecht zur optischen Achse 12 und wird durch diese halbiert.

Auf der optischen Achse 12 ist hinter der Lichtquelle 30 ein konkaver Spiegel 35 angeordnet, um das nach rückwärts abgestrahlte Licht in Richtung der optischen Achse zu reflektieren und dadurch den Wirkungsrad 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 geringen 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. 6,3 cm 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 j5 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 daß das optische System 10 im Maß· tab von beispielsweise etwa 4,5 abbildet. 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 dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Kondensor 32 und die Feldlinse 34 zusammen mit der Aperturblende 36 einem dreigliec-igen Projektionsobjektiv äquivalent, das eine Länge von 27.9 cm, einen Durchmesser von 12,7 cm, eine effektive Brennweite von 9,7 cm und eine relative Öffnung 1 : 2.1 hat.

Die Bildebene 28, in der sich die transparente Projektionsvorlage 16 befindet, kann als Bild einer gekrümmten Objektfläche 42 angesehen werden, die sich zwischen der Lichtquelle 30 und dem Kondensor 32 befindet, und umgekehrt. Die gekrümmte Objektfläche 42 ist ein Teil eiues Ellipsoids mit einer Krümmung, wie sie in der Zeichnung als Schnitt einer Ebene mit der Ellipsoidfläche dargestellt ist. In Wirklichkeit ist die gekrümmte Objektfläche 42 das Bild der Bildebene 28, das durch das sowohl die Feldlinse 34 als auch den Kondensor 32 enthaltende Projektionsobjektiv entworfen wird. Jeder Punkt in der gekrümmten Objfiktebene 42 wird ebenfalls sowohl durch den Kondensor 32 und die Feldlinse 34 in die Bildebene 28 abgebildet und umgekehrt. Wenn man also in die gekrümmte Objektebene 42 eine transparente Projektionsvorlage bringen könnte, so würde diese in die Bildebene 28 abgebildet. Die Schar'entiefe und die Auflösung der Bildebene 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 Beleuchtungssystem beträgt die Auflösung etwa 1 μπι.

Die Anordnung der Bildebene 28 bestimmt die Lage der gekrümmten Objektfläche 42. Mit anderen Worten gesagt, wird jeder Punkt in der gekrümmten Objektfläche 42, die in der Praxis ein Teil einer Ellipsoidfläche ist, als vergrößerter Punkt in die Bildebene 28 abgebildet. Bei dem dargestellten Beleuchtungssystem 10 sind der Kondensor 32 und die Feldlinse 34 so angeordnet, daß die gekrümmte Objektfläche 42 durch die Kombination aus Kondensor 32 und Feldlinse 34 mit etwa 4,5facher Vergrößerung in die Bildebene 28 abgebildet wird. Unter diesen Umständen ist die Schärfen- oder Feldtiefe der gekrümmten Objektfläche 42 gleich der Feld- oder Schärfentiefe der Bildebene 28 geteilt durch das Quadrat des Vergrößerungsfaktors. Für viele Photomaskenanwendungen kan:„ die Schärfentiefe beispielsweise bis zu 25 μιη betragen und die Schärfentiefe der gekrümmten Objektfläche 42 des als Ausführungsbeispiel dargestellten optischen Systems 10 beträgt in diesem Falle dann etwa 0,00013 cm.

Eir. wichtiger Vorteil des Beleuchtungssystems 10 besteht darin, daß diese sehr kleine Schärfentiefe der gekrümmten Objektfläche 42 in die Bildebene 28 bis zu 20fach vergrößert wird. Unter diesen Umständen ergibt sich innerhalb des Schärfentiefebereiches der Bildebene ein schwach divergentes Strahlenbündel mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung über den gesamten Querschnitt, während außerhalb des Schärfentiefebereiches keine scharfe Abbildung der Projektionsvorlage mehr möglich ist. Als Folge dieser Bedingungen arbeitet das vorliegende Beleuchtungssystem 10 offensichtlich nur innerhalb des Schärfentiefebereiches der Bildebene 28 ähnlich wie die ein kollimiertes Lichtbündel liefernden bekannten Sysieme.da im übrigen Teil des Strahlenganges diffuse Lichtverhältnisse herrschen. Das vorliegende Beleuchtungssystem 10 wird wegen dieser Eigenschaften durch Beugung und visuelle Defekte (beispielsweise Staub) weniger beeinträchtigt als die bekannten optischen Kollimierungssysteme.

Der Quecksilberbogen 31 der al^r- Lichtquelle 30 verwendeten Quecksilberdampflampe hat eine Lichtstärkeverteilung entsprechend der Kurve 44, deren Krümmung der der gekrümmten Objektfläche 42 entgegengesetzt ist Unter der Lichtstärkeverteilungskurve soll hier das Diagramm der Lichtstärke des von der Lichtquelle unter verschiedenen Winkeln emittierten Lichtes verstanden werden. )e größer der Abstmd eines Punktes auf diener Kurve vom Quecksilberbogen 31 iit, umso größer ist die Lichtintensität längs der Linie, die durch diesen Punkt und die Mitte des Quecksilberbogens 31 geht. De.· 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 Bildebene 28 zu erreichen, wird die Objektfläche ·>ο angeordnet, daß sie überall zwischen dem Kondensor 32 und der Lichtquel'e 30 verläuft und vorzugsweise vom Außenkolben 33 der Lichtquelle 30 einen Abstand von etwa 6,3 mm hat. Wenn nämlich ein Teil der gekrümmten Objektfläche 42 den Außenkolben 33 und

einen Teil des Kondensors 32 schneidet, werden Fehler in dem geschnittenen Material in die Bildebene 28 abgebildet. Ein solcher Verlauf der Objektfläche 42 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 werden, um eine möglichst gute Transmission für das l.icht dieser Wellenlänge zu gewährleisten. Die Transmission des Projektionsobjektivs aus [Ιοη drei plankonvexen Quarzlinsen des optischen Systems IO beträgt et*..90%.

Bei der Herstellung einer Kopie der transparenten Projektionsvorlage 16 auf das lichtempfindliche F-IIemenl 14 wird letzteres mit l.ichl vom Qiiecksilberbogen 31 während einer Zeitspanne belichtet, die vom Typ der verwendeten Photolackschicht 22 abhängt. Das lichtempfindliche F.ieinuiii 14 wird ύ<ΐίη"ι einVVicke-li 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.

Das beschriebene Beleuchtungssystem enthält also nur drei unkorrigierte plankonvexe Linsen, die aus einem Material mit dem gleichen Brechungsindex ^Γ· 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 Spcktralbereichen

i" empfindlich sind oder empfindlich gemacht werden müssen. Die Auflösung des Beleuchtungssystem* 10 wurde zu einem Achtel der Schärfentiefe der Bildebene des Systems ermittelt. Im Gegensat/ da/u beträgt die Auflosung der bekannten hochkollimicrien optischen

ü Projektionssysteme nur etwa ein Drittel des Abstandes /.wischen der transparenten Projektionsvorlage und dem lichtempfindlichen Element, wenn diese ähnlieh wie die !'rcjck'inrisvnrisge !6 und das F.lcmen! \& Hp« vorliegenden Beleuchtungssystems IO angeordnet sind.

2» Die für das Beleuchtungssystem angegebenen Werte und Abmessungen stellen selbstverständlich nur Beispiele dar und sind nicht einschränkend auszulegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur gleichmäßigen, im wesentlichen inkohärenten Beleuchtung einer ebenen, auf eine in ihrer unmittelbaren Nähe angeordnete lichtempfindliche Schicht zu kopierenden Projektionsvorlage, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensor (32) und eine Feldlinse (34) in dieser Reihenfolge derart zwischen einer Lichtquelle (31) und der Projektionsvorlage (26) angeordnet und ι ο ausgebildet sind, daß eine zwischen der Lichtquelle (31) und dem Kondensor (32) liegende Objektfläche (42), die zum Kondensor konkav gekrümmt ist, mit vergrößerter Tiefenschärfe in die Ebene (28) der Projektionsvorlage (26) abgebildet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Quecksilberdampflampe (30) ist, deren längliche Quecksilberlichtbogenstrecke (31) auf der optischen Achsi; (12) liegt undqaer zu dieser verläuft.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Objektfläche nahe bei einem Kolben (33) der Quecksilberdampflampe (30) zwischen diesem und dem Kondensor (32) verläuft.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensor (32) und der Feldlinse (34) eine Aperturblende (36) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensor aus ~wei plankonvexen Linsen besteht und die Feldlinse (34) aus einer plankonvexen Linse besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen aus Qudrz bestehen.