WO2004102224A2 - Axiconsystem und beleuchtungssystem damit - Google Patents

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WO2004102224A2
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light
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Markus DEGÜNTHER
Markus Brotsack
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Carl Zeiss Smt Ag
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    • G03F7/7055—Exposure light control in all parts of the microlithographic apparatus, e.g. pulse length control or light interruption
    • G03F7/70566—Polarisation control

Definitions

  • the invention relates to an axicon system for reshaping an entrance light distribution incident on an entry surface of the axicon system into an exit light distribution emerging from an exit surface of the axicon system by radial redistribution of light intensity, and to an illumination system for an optical device which contains at least one such axicon system.
  • the performance of projection exposure systems for the microlithographic production of semiconductor components and other finely structured components is essentially determined by the imaging properties of the projection optics.
  • the image quality and the wafer throughput that can be achieved with a system are essentially determined by the properties of the lighting system upstream of the projection lens. This must be able to prepare the light of a light source with the highest possible efficiency and to set a light distribution which can be precisely defined with regard to the position and shape of illuminated areas and in which the intensity distribution is as uniform as possible within illuminated areas. These requirements should be met equally in all adjustable lighting modes, for example in conventional settings with different degrees of coherence or with ring field, dipole or quadrupole lighting.
  • An increasingly important requirement for lighting systems is that they should be able to provide output light with a polarization state that can be defined as precisely as possible. For example, it may be desirable for the light falling on the photomask or in the subsequent projection objective to be largely or completely linearly polarized and to have a defined orientation of the preferred polarization direction.
  • linearly polarized input light e.g. modern catadioptric projection lenses with polarization beam splitter (beam splitter cube, BSC) work with a theoretical efficiency of 100% on the beam splitter.
  • linearly polarized output light can be provided by the fact that the entire lighting system works essentially to maintain polarization. Even when using polarized light, the above requirements for variability and uniformity of the lighting should be met.
  • Illumination systems in particular those for microlithography projection exposure systems, normally have a complex structure with a large number of different subsystems and components for different functionalities. If it is desired in a lighting system to be able to switch between conventional (axial, on-axis) lighting and non-conventional (off-axis, off-axis) lighting, axicon systems are preferably used for this purpose, which are able to place one on an entry surface of the axicon system through incident light distribution To transform radial redistribution of light intensity into an exit light distribution in which the light intensity outside the optical axis is significantly greater than in the region of the optical axis.
  • These non-conventional lighting settings for generating an off-axis, oblique lighting can serve, among other things, to increase the depth of focus by means of two-beam interference and to increase the resolution of projection exposure systems.
  • EP 747 772 describes an illumination system with a combined zoom-axicon lens, in the object plane of which a first diffractive raster element with a two-dimensional raster structure is arranged.
  • This raster element serves to increase the light conductance of the incident laser radiation by introducing an aperture and to change the shape of the light distribution so that, for example, an approximate circular distribution (for conventional lighting) or a polar distribution results.
  • the first raster elements may be exchanged.
  • the zoom axicon lens combines a zoom function for the continuous adjustment of the diameter of a light distribution and an axicon function for the radial redistribution of light intensities.
  • the axicon system has two axially displaceable axcon elements with conical axicon surfaces facing each other, which can be moved together to a distance of zero. By adjusting the zoom axicon, the annularity of the lighting and the degree of coherence can be adjusted accordingly.
  • a second raster element which is located in the exit plane pupil of the objective, is illuminated with the corresponding (axial or off-axis) light distribution and forms a rectangular light distribution, the shape of which corresponds to the entry surface of a subsequent rod integrator.
  • DE 35 23 641 (corresponding to US 4,755,027) describes a polarizer which uses the polarization-selective effect of a plurality of axicon surfaces located one behind the other to generate tangential or radial polarization.
  • the polarization-selective effect produced by the axicon surfaces inclined at an angle to the optical axis is reinforced in some embodiments by suitable optical coatings.
  • Another polarizer with conical surfaces is shown in DE 195 35 392 A1 (corresponding to US 6,191, 880 B1).
  • the object of the invention is to provide an axicon system which, in comparison to conventional axicon systems, shows a marked reduction in polarization-related transmission inhomogeneities. Another task is to specify measures that enable optical systems with axicon systems that have a largely uniform transmission function.
  • An axicon system is used to deform an entrance light distribution hitting an entrance surface of the axicon system. into an exit light distribution emerging from an exit surface of the axicon system by radial redistribution of the light intensity. It includes: an optical axis; at least one axicon element with at least one axicon surface; and
  • Compensation means for the location-dependent compensation of transmission inhomogeneities of the axicon system caused by polarization-selective reflection on the axicon surface, the compensation means having an essentially two-fold radially symmetrical efficiency characteristic for the radiation passing through with respect to the optical axis, in which a first efficiency in the area around a perpendicular to the optical axis extending first direction is significantly larger or smaller than a second efficiency in the range of a second direction perpendicular to the first direction and to the optical axis.
  • the compensation means counteract this.
  • the anisotropic compensating means are azimuthal, i.e. in the circumferential direction to the optical axis, oriented relative to an axicon element in such a way that a light beam that passes through a region of particularly low transmission (or high reflection) on the axicon element or on its axicon surface, in the region of the compensation means a region of relatively high transmission (or low reflection) ) passes through and vice versa.
  • transmission losses can be equalized over the entire cross section of the optical system equipped with the axicon system, and transmission inhomogeneities can be reduced or largely avoided.
  • the compensation means for the incident radiation with respect to the optical axis can have an essentially elliptical efficiency characteristic in which two maxima of the transmission (or reflection) in the azimuthal direction (circumferential direction) and two minima of the transmission (or reflection) at right angles thereto. occur. There may be a continuous transition between these areas, and a gradual transition may also be possible.
  • At least one optical surface of the axicon system is covered with an optical compensation coating for location-dependent compensation of the transmission inhomogeneities of the axicon system caused by polarization-selective reflection on the axicon surface.
  • the compensation coating which can be, for example, a gray filter layer or a multilayer interference layer system with alternating high-index and low-index dielectric individual layers, is ideally designed in such a way that it produces a reciprocal effect in terms of location loss with regard to reflection losses, like the uncoated axicon system.
  • the efficiency characteristic can be set, for example, by varying the layer thickness, which can show a complete sine curve twice in azimuth. Alternatively or additionally, it is also possible to produce a variation in the layer composition over the azimuthal angle. For a given entry intensity distribution, the required course of the layer properties of an interference layer system can be derived from the Fresnel formulas. With interference layers on transparent optical components, it is advantageous if they have an overall anti-reflection (anti-reflection) effect.
  • transparent axicon elements have a further surface which can be essentially flat, spherical or also designed as an axicon surface.
  • a further surface which can be essentially flat, spherical or also designed as an axicon surface.
  • a compensation coating there are embodiments in which only the axicon surface is coated with a compensation coating.
  • only the further surface is covered with a compensation coating.
  • the axicon surface and the further surface are each covered with a compensation coating, the local distributions of the efficiencies of the compensation coatings being able to be coordinated with one another in such a way that the required compensation effect is generated overall.
  • the individual axicon elements can each be compensated for and thus designed to maintain transmission, or the axicon elements can each have inhomogeneous transmission characteristics that largely or completely compensate one another in order to make the axicon system overall essentially preserving transmission.
  • a typical application of such axicon systems with at least two axicon elements, the axial spacing of which can be changed continuously or in steps from zero to larger distances, are lighting systems of the type mentioned at the outset, which can be used in microlithography projection exposure systems.
  • the axicon element or axicon system can also be assigned at least one further optical component that is spatially complementary to the axicon element or axicon system
  • Has transmission inhomogeneity for example an elliptical transmission function.
  • at least one separate compensation filter element can be provided.
  • the illumination system is used in an illumination system, in particular in an illumination system of a microlithography projection exposure system, it is generally desirable for the illumination system to have a very uniform illumination.
  • light mixing elements are usually used, which can be arranged in front of or behind an axicon system. If a rod integrator with a rectangular cross section and different edge lengths is used as the light mixing element, automatic compensation of the anisotropic transmission of an axicon system can be achieved by using linearly polarized Light whose preferred polarization direction is oriented obliquely to the side faces of the rod integrator, in particular at an angle of approximately 45 °.
  • FIG. 1 schematically shows an axial top view of a conical entry surface of an axicon element, on which linearly polarized light is incident;
  • Fig. 2 shows schematically a side view of an axicon element with a conical axicon surface
  • FIG. 3 shows schematically the division of a irradiated area into four quadrants centered around the x and y axes of the axicon system to explain the energetic ellipticity
  • FIG. 4 shows a schematic overview of an embodiment of an illumination system for a microlithography projection exposure tion system in which various embodiments of compensation means according to the invention are realized.
  • an axicon system 50 which in the example consists of a single axicon element 51 made of transparent material.
  • the axicon element centered around the optical axis 3 has a conical axicon surface 52, which forms the entry surface of the axicon element in the direction of radiation shown, and, as a further surface, a plane exit surface 53 oriented perpendicular to the optical axis.
  • the conical axicon surface 52 is at an angle of inclination ⁇ to one perpendicular to the optical axis, whereby a light beam 54, which strikes the axicon surface parallel to the optical axis 3, includes with it an angle of incidence or angle of incidence i, which is measured between the direction of incidence and a surface normal of the axicon surface at the point of impact 56.
  • the optical axis 3 runs in the z direction, to which the x and y axes of the axicon system are perpendicular.
  • This axicon element is now irradiated with completely linearly polarized entrance light, its preferred polarization direction
  • the linear polarization on the axicon surface is either exclusively p-polarized or exclusively s-polarized or has a mixed polarization state with different proportions of p and s polarization.
  • the s component is the one here electrical field strength component that runs perpendicular to the plane of incidence, which is defined by the surface normal of the axicon surface at the point of impact and the direction of beam entry.
  • the p component is the electrical field strength component that vibrates parallel to the plane of incidence, i.e. in the plane of incidence itself.
  • the incoming light experiences a weakening of the p or s component of the electric field strength that is dependent on the point of incidence or on the point of impact and is locally different due to Fresnel losses.
  • the light is completely p-polarized at all impact points lying on the y-axis, while it is completely s-polarized at all impact points lying on the x-axis.
  • the s-polarized components generally have a higher degree of reflection than the p components and the degree of reflection for s-polarization generally increases monotonically with increasing incidence angles i, whereas with p-polarization a strong incidence angle dependency of the degree of reflection with a pronounced minimum at the so-called Brewster angle, it can be seen that the transmission of the axicon element will generally be higher in areas around the y axis with a predominantly p component than in areas around the x axis, where predominantly s polarization is present.
  • the energy distribution of the radiation after passing through the axicon element in its pupil shows a two-fold radial symmetry, in which quadrants I and III centered around the y axis exist with relatively high intensity, while in quadrants II and IV centered around the x axis finds less light intensity (Fig. 3).
  • the ellipticity E is defined as:
  • the axicon surface 52 is covered with an optical compensation coating 60, which is applied to the conical surface, for example by a suitable PVD method, in particular by electron beam evaporation.
  • the compensation layer is a multi-layer package with individual layers made of dielectric materials with different refractive indices, high-index and low-index material alternating one above the other in order to achieve the optical effect via interference effects.
  • the compensation layer 60 is designed such that the azimuthal regions of the compensation layer lying about the y-axis have a significantly lower transmittance T or higher reflectance than those azimuthal regions that are centered around the x-axis and thus in the center of the quadrants II and IV lie. There is a continuous transition between these areas.
  • FIG. 3 schematically shows the associated elliptical transmission function T of the compensation layer 60, in which the distance of the ellipse line 61 (shown in broken lines) from the optical axis 3 is a measure of the degree of transmission of the compensation coating at the respective azimuth angle.
  • the ellipticity of the transmission function of the compensation layer is essentially reciprocal to the ellipticity of the transmission of the axicon element, which results from the azimuthally varying polarization states. As a result, extensive or complete compensation of the transmission inhomogeneity caused by the axicon geometry and polarization effects can be achieved.
  • a comparable elliptical transmission function of a coating can also be achieved in that the coating is designed as a gray filter layer with azimuthally varying transmission.
  • the further surface 53 can also be covered with a suitable compensation layer.
  • An occupancy of both layers can be particularly advantageous if only an incomplete compensation is possible with a single layer.
  • the coating of a flat or possibly slightly curved coating surface similar to the exit surface 53 can also be advantageous from a manufacturing point of view.
  • an illumination system 1 of a microlithographic projection exposure system as an example for the use of axicon elements or axicon systems according to the invention shown, which can be used in the production of semiconductor components and other finely structured components and works with light from the deep ultraviolet range to achieve resolutions down to fractions of a micrometer.
  • An F 2 excimer laser with a working wavelength of approximately 157 nm is used as the light source 2, the light beam of which is aligned coaxially with the optical axis 3 of the lighting system.
  • Other UV light sources for example ArF excimer lasers with a working wavelength of 193 nm, KrF excimer lasers with a working wavelength of 248 nm or light sources with wavelengths below 157 nm are also possible.
  • the linearly polarized light from the light source 2 first enters a beam expander 4, which can be designed, for example, as a mirror arrangement according to DE 41 24 31 1 and is used to reduce coherence and enlarge the beam cross section.
  • a beam expander 4 which can be designed, for example, as a mirror arrangement according to DE 41 24 31 1 and is used to reduce coherence and enlarge the beam cross section.
  • An optionally provided closure is replaced in the embodiment shown by a corresponding pulse control of the laser 2.
  • a first diffractive, optical raster element 5 serving as a beam shaping element is arranged in the object plane 6 of an objective 7 arranged behind it in the beam path, in the image plane 8 or exit pupil of which a refractive second optical raster element 9 is arranged, which also serves as a beam shaping element.
  • a reticle / masking system (REMA) 14 is arranged, which serves as an adjustable field diaphragm.
  • the subsequent lens 15 images the intermediate field level with the masking system 14 on reticle 16 (mask, lithography template) and contains a first lens Group 17, an intermediate pupil plane 18 into which filters or diaphragms can be introduced, a second and a third lens group 19 or 20 and in between a deflecting mirror 21, which makes it possible to horizontally install the large lighting device (approx. 3 m in length) and to store the reticle 16 horizontally.
  • this illumination system forms a projection exposure system for the microlithographic production of electronic components, but also of optically diffractive elements and other micro-structured parts.
  • the design of the parts upstream of the light mixing device 12, in particular of the optical raster elements 5 and 9, is selected such that a rectangular entry surface of the light mixing device is illuminated largely homogeneously and with the highest possible efficiency, that is to say without significant loss of light next to the entry surface.
  • the parallel light beam coming from the beam expander 4 with a rectangular cross section and a non-rotationally symmetrical divergence is first changed by the first diffractive raster element 5 with the introduction of light conductance with regard to divergence and shape.
  • the linear polarization of the laser light is largely retained.
  • This beam shaping element generates the main part of the light conductance and adapts the light conductance to the field size, that is to say to the rectangular shape of the entry surface of the rod integrator 12, via the coupling optics 10.
  • the structure of the lighting system described so far, with the exception of the lens 7, can correspond, for example, to the structure described in EP 0 747 772, the disclosure of which is made the content of this description by reference.
  • the lens 7, which is also referred to below as a zoom axicon system, contains a transmission-compensated axicon system 150 which can be variably adjusted and is used to convert an entry light distribution incident on its entry surface into an exit light distribution emerging from an exit surface by radial redistribution of light intensity , as well as a likewise adjustable zoom system 40 for variably adjusting the diameter of a light distribution emitted by the zoom system.
  • a transmission-compensated axicon system 150 which can be variably adjusted and is used to convert an entry light distribution incident on its entry surface into an exit light distribution emerging from an exit surface by radial redistribution of light intensity , as well as a likewise adjustable zoom system 40 for variably adjusting the diameter of a light distribution emitted by the zoom system.
  • an essentially round illumination spot of largely uniform intensity with an adjustable diameter or a desired light distribution with an increased intensity outside the optical axis relative to the axial region can be optionally generated at the entry surface of the raster element 9, for example in the form
  • the axicon system 150 is largely energetically compensated and comprises a first axicon element 151 and a second axicon element 152 arranged behind it in the direction of light travel, the axial distance of which can be infinitely adjusted by an adjusting device (not shown) and possibly reduced to a distance of zero.
  • the first axicon element 151 has a flat or slightly spherical entry surface and a concave conical exit surface
  • the second Axicon element 152 is designed with a convex, conical entry surface and a flat or slightly spherical exit surface and is therefore similar to the embodiment of FIGS. 1 and 2.
  • Each of the axicon elements has a compensation coating on its entrance surface and / or on its exit surface, which partially or completely compensates for the transmission inhomogeneities caused by geometry and polarization, so that the intensity distribution is largely homogeneous behind the objective 7 within illuminated areas.
  • the compensation means for avoiding energetic inhomogeneities are formed in that the preferred polarization direction of the linearly polarized laser light is oriented at an angle of approximately 45 ° to the x or y axis (partial figure A).
  • an energetic ellipticity which is generated by the rod integrator 12 with a rectangular cross-section (partial figure B)
  • this leads to a largely energetically compensated light distribution behind the rod integrator, since the ellipticity introduced by the (non-compensated) axicon elements of the energetic distribution by a reciprocal ellipticity of the transmission of the rod integrator 12 is largely or completely compensated.
  • the rod integrator mixes the quadrants I to IV through total internal reflection in such a way that the energetically elliptical pupil can be compensated. It has been shown that the efficiency of this compensation depends on the lighting setting and generally works better with large degrees of coherence (corresponding to many total reflections in the rod integrator) than with smaller settings, where there are fewer reflections in the integrator rod. A combination of the compensation means described here can also be provided.
  • the invention can also be used analogously in the case of reflective axicon systems, for example in lighting systems for EUV lithography, which use extremely short UV wavelengths in the area of soft X-rays.
  • the term “light” is also intended to include such short-wave radiation.
  • their “transmission” efficiency for the transmission of incident radiation is determined by the degree of reflection of the mirror surfaces.
  • the term “transmittance” is therefore to be understood generally as a “forwarding efficiency” for the incident and then reflected radiation.

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Abstract

Ein Axiconsystem, das beispielsweise in einem Beleuchtungssystem für eine Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage verwendet werden kann, dient zur Umformung einer auf seine Eintrittsfläche auftreffenden Eintrittslichtverteilung in eine aus seiner Austrittsfläche austretende Austrittslichtverteilung durch radiale Umverteilung von Lichtintensität. Bei einer Ausführungsform hat das Axiconsystem eine optische Achse und ein Axiconelement mit einer ersten Axiconfläche und einer der Axiconfläche gegenüber liegenden weiteren Fläche. Mindestens eine der Flächen ist mit einer optischen Kompensationsbeschichtung belegt, die durch eine elliptische Transmissionsfunktion eine ortsabhängige Kompensation von durch polarisationsselektive Reflexion und Transmission an der Axiconfläche bedingten Transmissionsinhomogenitäten des Axiconsystems bewirkt.

Description

Beschreibung
Axiconsystem und Beleuchtungssystem damit
Die Erfindung bezieht sich auf ein Axiconsystem zur Umformung einer auf eine Eintrittsfläche des Axiconsystems auftreffenden Eintrittslichtverteilung in eine aus einer Austrittsfläche des Axiconsystems austretende Austrittslichtverteilung durch radiale Umverteilung von Lichtintensität sowie auf ein Beleuchtungssystem für eine optische Einrichtung, welches mindestens ein solches Axiconsystem enthält.
Die Leistungsfähigkeit von Projektionsbelichtungsanlagen für die mikrolithographische Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen fein strukturierten Bauteilen wird wesentlich durch die Abbildungseigenschaften der Projektionsoptik bestimmt. Darüber hinaus wird die Bildqualität und der mit einer Anlage erzielbare Wafer- Durchsatz wesentlich durch Eigenschaften des dem Projektionsobjektiv vorgeschalteten Beleuchtungssystems mitbestimmt. Dieses muss in der Lage sein, das Licht einer Lichtquelle mit möglichst hohem Wirkungsgrad zu präparieren und dabei eine Lichtverteilung einzustellen, die bezüglich Lage und Form beleuchteter Bereiche genau definierbar ist und bei der innerhalb beleuchteter Bereiche eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung vorliegt. Diese Forderungen sollen bei allen einstellbaren Beleuchtungsmodi gleichermaßen erfüllt sein, beispielsweise bei konventionellen Settings mit verschiedenen Kohärenzgraden oder bei Ringfeld-, Dipol- oder Quadrupolbeleuchtung.
Eine zunehmend wichtiger werdende Forderung an Beleuchtungssysteme besteht darin, dass diese in der Lage sein sollen, Ausgangslicht mit einem möglichst genau definierbaren Polarisationszustand bereitzustellen. Beispielsweise kann es gewünscht sein, dass das auf die Photomaske oder in das nachfolgende Projektionsobjektiv fallende Licht weitgehend oder vollständig linear polarisiert ist und eine definierte Ausrichtung der Polarisationsvorzugsrichtung hat. Mit linear polarisiertem Eingangslicht können z.B. moderne katadioptrische Projektionsobjektive mit Polarisationsstrahlteiler (beam splitter cube, BSC) mit einem theoretischen Wirkungsgrad von 100% am Strahlteiler arbeiten.
Wird das Beleuchtungssystem in Verbindung mit einer Excimer-Laser- Lichtquelle genutzt, die bereits weitgehend linear polarisiertes Licht bereitstellt, so kann linear polarisiertes Ausgangslicht dadurch bereitgestellt werden, dass das gesamte Beleuchtungssystem im wesentlichen polarisationserhaltend arbeitet. Auch bei Verwendung von polarisiertem Licht sollen die obigen Forderungen nach Variabilität und Gleichmäßigkeit der Beleuchtung erfüllt werden.
Beleuchtungssysteme, insbesondere solche für Mikrolithografie- Projektionsbelichtungsanlagen, haben normalerweise einen komplexen Aufbau mit einer Vielzahl unterschiedlicher Teilsysteme und Komponenten für unterschiedliche Funktionalitäten. Ist es bei einem Beleuchtungssystem erwünscht, zwischen konventioneller (axialer, on- axis) Beleuchtung nicht-konventioneller (außeraxialer, off-axis) Beleuchtung umschalten zu können, werden für diesen Zweck bevorzugt Axiconsysteme verwendet, die in der Lage sind, eine auf eine Eintrittsfläche des Axiconsystems auftreffende Eintrittslichtverteilung durch radiale Umverteilung von Lichtintensität in eine Austrittslichtverteilung umzuformen, bei der die Lichtintensität außerhalb der optischen Achse deutlich größer ist als im Bereich der optischen Achse. Diese nichtkonventionellen Beleuchtungssettings zur Erzeugung einer außeraxia- len, schiefen Beleuchtung können unter anderem der Erhöhung der Tiefenschärfe durch Zweistrahlinterferenz sowie der Erhöhung des Auflösungsvermögens von Projektionsbelichtungsanlagen dienen.
Die EP 747 772 beschreibt ein Beleuchtungssystem mit einem kombi- niertem Zoom-Axicon-Objektiv, in dessen Objektebene ein erstes diffrak- tives Rasterelement mit zweidimensionaler Rasterstruktur angeordnet ist. Dieses Rasterelement dient dazu, den Lichtleitwert der auftreffenden Laserstrahlung durch Einführung von Apertur zu erhöhen und die Form der Lichtverteilung so zu verändern, dass sich beispielsweise eine angenäherte Kreisverteilung (für konventionelle Beleuchtung) oder eine polare Verteilung ergibt. Zum Wechsel zwischen diesen Beleuchtungsmodi werden gegebenenfalls erste Rasterelemente ausgetauscht. Das Zoom-Axicon-Objektiv vereinigt eine Zoom-Funktion zur stufenlosen Verstellung des Durchmessers einer Lichtverteilung und eine Axicon- Funktion zur radialen Umverteilung von Lichtintensitäten. Das Axiconsystem hat zwei axial gegeneinander verschiebbare Axconelemente mit einander zugewandten konischen Axiconflächen, die bis zum Abstand null aneinander gefahren werden können. Durch Verstellung des Zoom- Axicons lassen sich dementsprechend die Annularität der Beleuchtung und der Kohärenzgrad verstellen. Ein zweites Rasterelement, welches sich in der Austrittsebenepupille des Objektivs befindet, wird mit der entsprechenden (axialen oder außeraxialen) Lichtverteilung ausgeleuchtet und formt eine rechteckige Lichtverteilung, deren Form der Eintrittsfläche eines nachfolgenden Stabintegrators entspricht.
Andere Beleuchtungssysteme mit Axiconsystemen zur radialen Umverteilung von Lichtenergie sind beispielsweise im US-Patent US 5,675,401 der Anmelderin, im Patent US 6,377,336 B1 sowie parallelen Schutzrechten oder im Patent US 6,452,663 B1 gezeigt.
Es ist bekannt, dass Axiconsysteme eine polarisierende Wirkung haben können. In der DE 35 23 641 (entsprechend US 4,755,027) ist ein Polarisator beschrieben, der die polarisationsselektive Wirkung mehrerer hintereinanderliegender Axiconflächen zur Erzeugung tangentialer oder radialer Polarisation nutzt. Die durch die schräg zur optischen Achse geneigten Axiconflächen erzeugte polarisationsselektive Wirkung wird bei manchen Ausführungsformen durch geeignete optische Beschichtungen verstärkt. Ein anderer Polarisator mit Kegelflächen ist in der DE 195 35 392 A1 (entsprechend US 6,191 ,880 B1) gezeigt.
Es ist erkannt worden, dass herkömmliche Axiconsysteme in der Regel auch die Intensitätsverteilung der durchtretenden Strahlung räumlich inhomogen beeinflussen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Axiconsystem bereitzustellen, welches im Vergleich zu herkömmlichen Axiconsystemen eine deutliche Verringerung polarisationsbedingter Transmissionsinhomogenitäten zeigt. Eine weitere Aufgabe ist es, Massnahmen anzugeben, die optische Systeme mit Axiconsystemen ermöglichen, welche eine weitgehend gleichmäßige Transmissionsfunktion haben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Axiconsystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Ein erfindungsgemäßes Axiconsystem dient zur Umformung einer auf eine Eintrittsfläche des Axiconsystems auftreffenden Eintrittslichtvertei- lung in eine aus einer Austrittsfläche des Axiconsystems austretende Austrittslichtverteilung durch radiale Umverteilung der Lichtintensität. Es umfasst: eine optische Achse; mindestens ein Axiconelement mit mindestens einer Axiconflache; und
Kompensationsmittel zur ortsabhängigen Kompensation von durch polarisationsselektive Reflexion an der Axiconflache bedingten Transmissionsinhomogenitäten des Axiconsystems, wobei die Kompensationsmittel auf die durchtretende Strahlung in Bezug auf die optische Achse eine im wesentlichen zweizählig radialsymmetrische Wirkungsgradcharakteristik haben, bei der ein erster Wirkungsgrad im Bereich um eine senkrecht zur optischen Achse verlaufende erste Richtung signifikant größer oder kleiner ist als ein zweiter Wirkungsgrad im Bereich einer senkrecht zur ersten Richtung und zur optischen Achse verlaufenden zweiten Richtung.
Wegen der rotationssymmetrischen oder radialsymmetrischen Geometrie der Axiconflächen mit schräg zur optischen Achse geneigten brechenden Flächen fallen beispielsweise bei linear polarisierter Eingangsstrahlung Strahlen gleicher Schwingungsrichtung des elektrischen Feldstärkevektors nicht überall in gleich orientierte Einfallsebenen bezüglich der brechenden Axiconflächen. Dadurch erfährt das eintreffende Licht aufgrund von Fresnelverlusten eine vom Einfallsort abhängige und damit lokal unterschiedliche Abschwächung der p- bzw. s-Anteile der elektrischen Feldstärke. Dadurch können an Axiconflächen in Azimutalrichtung (Umfangsrichtung) variierende Abschwächungen auftreten. Dies führt bei einer homogenen Intensitätsverteilung des Eintrittslichts zu einer räumlich nicht mehr homogenen Lichtverteilung hinter dem Axiconsystem. Abschätzungen zeigen, dass bei herkömmlichen Axiconsystemen und linear polarisiertem Eingangslicht die hierdurch bedingte energetische Inhomogenität durchaus in der Größenordnung von bis zu ca. 10% liegen kann.
Die erfindungsgemäßen Kompesationsmittel wirken dem entgegen. Dabei sind die anisotrop wirkenden Kompensationsmittel azimutal, d.h. in Umfangsrichtung zur optischen Achse, derart relativ zu einem Axiconelement ausgerichtet, dass ein Lichtstrahl, der am Axiconelement bzw. an dessen Axiconflache einen Bereich besonders niedriger Transmission (oder hoher Reflexion) durchtritt, im Bereich der Kompensationsmittel einen Bereich relativ hoher Transmission (oder niedriger Reflexion) durchtritt und umgekehrt. Dadurch können Transmissionsverluste über den gesamten Querschnitt des mit dem Axiconsystem ausgestatteten optischen System vergleichmäßigt und Transmissionsinhomogenitäten vermindert oder weitgehend vermieden werden.
Insbesondere können die Kompensationsmittel auf die auftreffende Strahlung in Bezug auf die optische Achse eine im wesentlichen elliptische Wirkungsgradcharakteristik haben, bei der in Azimutalrichtung (Umfangsrichtung) zwei Maxima der Transmission (oder Reflexion) und jeweils im rechten Winkel dazu zwei Minima der Transmission (oder Reflexion) auftreten. Zwischen diesen Bereichen kann ein kontinuierlicher Übergang existieren, gegebenenfalls ist auch ein stufenweiser Übergang möglich.
Gemäß einer Weiterbildung ist mindestens eine optischen Fläche des Axiconsystems mit einer optischen Kompensationsbeschichtung zur ortsabhängigen Kompensation der durch polarisationsselektive Reflexion an der Axiconflache bedingten Transmissionsinhomogenitäten des Axiconsystems belegt. Die Kompensationsbeschichtung, die z.B eine Graufilterschicht oder ein Mehrlagen-Interferenzschichtsystem mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden dielektrischen Einzelschichten sein kann, ist idealerweise so ausgelegt, dass sie in Bezug auf Reflexionsverluste ortsauflösend im wesentlichen einen reziproker Effekt erzeugt wie das unbeschichtete Axiconsystem.
Die Einstellung der Wirkungsgradcharakteristik kann beispielsweise durch eine Variation der Schichtdicke erfolgen, die azimutal zweimal einen kompletten Sinusverlauf zeigen kann. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, eine Variation der Schichtzusammensetzung über den azimutalen Winkel zu erzeugen. Für eine gegebene Eintrittsintensitätsverteilung kann der erforderliche Verlauf der Schichteigenschaften eines Interferenzschichtsystems aus den Fresnel- Formeln abgeleitet werden. Bei Interferenzschichten auf transparenten optikkomponenten ist es vorteilhaft, wenn sie insgesamt eine reflexionsmindemde (Antireflex-) Wirkung haben.
Transparente Axiconelemente haben zusätzlich zu der Axiconflache eine weitere Fläche, die im wesentlichen eben, sphärisch oder ebenfalls als Axiconflache gestaltet sein kann. Es gibt Ausführungsformen, bei denen nur die Axiconflache mit einer Kompensationsbeschichtung belegt ist. Bei anderen Ausführungsformen ist nur die weitere Fläche mit einer Kompensationsbeschichtung belegt. Es ist auch möglich, dass die Axiconflache und die weitere Fläche jeweils mit einer Kompensationsbeschichtung belegt sind, wobei die örtlichen Verteilungen der Wirkungsgrade der Kompensationsbeschichtungen so aufeinander abgestimmt sein können, dass insgesamt die erforderliche Kompensationswirkung erzeugt wird.
Bei Ausführungsformen, die ein erstes Axiconelement mit einer ersten Axiconflache und mindestens ein zweites Axiconelement mit einer zweiten Axiconflache umfassen, können wahlweise die einzelnen Axiconelemente jeweils für sich kompensiert und damit transmissionserhaltend ausgelegt sein, oder die Axiconelemente können jeweils inhomogene Transmissionscharakteristiken haben, die sich gegenseitig weitgehend oder vollständig kompensieren, um das Axiconsystem insgesamt im wesentlichen transmissionserhaltend zu machen. Ein typischer Anwendungsbereich solcher Axiconsysteme mit mindestens zwei Axiconelementen, deren Axialabstand gegebenenfalls vom Abstand Null bis zu größeren Abständen stufenlos oder in Schritten veränderbar ist, sind Beleuchtungssysteme der eingangs erwähnten Art, die in Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlagen eingesetzt werden können.
Sofern ein Axiconelement oder ein Axiconsystem nicht in sich kompensiert und damit weitgehend transmissionserhaltend ist, kann dem Axiconelement oder Axiconsystem auch mindestens eine weitere optische Komponente zugeordnet sein, die eine zum Axiconelement oder zum Axiconsystem räumlich komplementäre
Transmissionsinhomogenität hat, beispielsweise eine elliptische Transmissionsfunktion. Beispielsweise kann mindestens ein gesondertes Kompensationsfilterelement vorgesehen sein.
Wird das Axiconsystem in einem Beleuchtungssystem eingesetzt, insbesondere in einem Beleuchtungssystem einer Mikrolithografie- Projektionsbelichtungsanlage, so ist es in der Regel erwünscht, dass am Austritt des Beleuchtungssystems eine sehr gleichmäßige Beleuchtung vorliegt. Hierzu werden üblicherweise Lichtmischelemente eingesetzt, die vor oder hinter einem Axiconsystem angeordnet sein können. Wird als Lichtmischelement ein Stabintegrator mit Rechteckquerschnitt und unterschiedlichen Kantenlängen verwendet, so kann eine automatische Kompensation der anisotropen Transmission eines Axiconsystems dadurch erreicht werden, dass bei Verwendung von linear polarisiertem Licht dessen Polarisationsvorzugsrichtung schräg zu den Seitenflächen des Stabintegrators, insbesondere im Winkel von ca. 45°, ausgerichtet wird. Da solche Rechteck-Stabintegratoren, wenn keine geeigneten Kompensationsmaßnahmen vorgesehen sind, das Licht durch innere Totalreflexion so mischen, dass eine energetisch elliptische Pupille entstehen kann (vgl. DE 10065198.1 entsprechend US 2002/0126931 A1 der Anmelderin), ist durch geeignete Auslegung dieser elliptischen Wirkungsweise in Bezug auf das Axiconsystem eine Kompensation der Transmission des kombinierten Systems aus Axiconsystem und Lichtmischer möglich.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungsformen darstellen können.
Fig. 1 zeigt schematisch eine axiale Draufsicht auf eine konische Ein- trittsfläche eines Axiconelementes, auf welches linear polarisiertes Licht auftrifft;
Fig. 2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Axiconelementes mit konischer Axiconflache;
Fig. 3 zeigt schematisch die Aufteilung eines durchstrahlten Bereiches in vier um die x- und y-Achse des Axiconsystems zentrierten Quadranten zur Erläuterung der energetischen Elliptizität;
Fig. 4 zeigt eine schematische Übersicht einer Ausführungsform eines Beleuchtungssystem für eine Mikrolithografie-Projektionsbelich- tungsanlage, in der verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kompensationsmittel verwirklicht sind.
Anhand der Figuren 1 bis 3 wird zunächst die Entstehung von räumlichen Transmissionsinhomogenitäten bei einem Axiconsystem 50 beschrieben, welches im Beispielsfall aus einem einzelnen, aus transparentem Material bestehenden Axiconelement 51 besteht.
Das um die optische Achse 3 zentrierte Axiconelement hat eine konische Axiconflache 52, die bei der gezeigten Durchstrahlungsrichtung die Eintrittsfläche des Axiconelementes bildet, sowie als weitere Fläche eine senkrecht zur optischen Achse ausgerichtete ebene Austrittsfläche 53. Die konische Axiconflache 52 steht in einem Neigungswinkel α zu einer senkrecht zur optisch Achse verlaufenden Ebene, wodurch ein Lichtstrahl 54, der parallel zur optischen Achse 3 auf die Axiconflache fällt, mit dieser einen Einfallswinkel oder Inzi- denzwinkel i einschließt, der zwischen der Einfallsrichtung und einer Flächennormalen der Axiconflache am Auftreffpunkt 56 gemessen wird. Die optische Achse 3 verlaufe in z-Richtung, zu der senkrecht die x- und y-Achse des Axiconsystems verlaufe.
Dieses Axiconelement werde nun mit vollständig linear polarisiertem Eintrittslicht bestrahlt, dessen Polarisationsvorzugsrichtung
(Doppelpfeile) parallel zur y-Achse ausgerichtet ist. Das Eintrittslicht habe über den gesamten Querschnitt des Axiconsystems homogene, d.h. gleichmäßige Intensität.
Bei dieser Konstellation ist zu beachten, dass die lineare Polarisation an der Axiconflache je nach Azimutwinkel 55 eines Strahlauftreffortes 56 entweder ausschließlich p-polarisiert oder ausschließlich s-polarisiert ist oder einen gemischten Polarisationszustand mit unterschiedlich starken Anteilen von p- und s-Polarisation hat. Der s-Anteil ist hier diejenige elektrische Feldstärkekomponente, die senkrecht zur Einfallsebene verläuft, die durch die Flächennormale der Axiconflache am Auftreffort und die Strahleintrittsrichtung aufgespannt wird. Der p-Anteil ist die elektrische Feldstärkekomponente, die parallel zur Einfallsebene, also in der Einfallsebene selbst schwingt.
Wegen der azimutwinkelabhängigen Ausrichtung der Einfallsebenen erfährt das eintretende Licht aufgrund von Fresnelverlusten eine vom Einfallsort bzw. Auftreffort abhängige und damit lokal unterschiedliche Abschwächung der p- bzw. s-Anteil der elektrischen Feldstärke. Hierdurch tritt an der Axiconflache eine in Azimutalrichtung (Umfangsrichtung) variierende Abschwächung der Strahlung und damit hinter dem Axiconelement eine entsprechende Intensitätsinhomogenität auf. Dabei ist das Licht bei allen auf der y-Achse liegenden Auftrefforten vollständig p-polarisiert, während es bei allen auf der x-Achse liegenden Auftrefforten vollständig s-polarisiert ist. Beim Übergang zwischen diesen Extremsituationen findet zwischen der y- und der x-Achse allmählich eine Abnahme des p-Anteils und eine Zunahme des s-Anteils bzw. umgekehrt statt, so dass in allen Bereichen zwischen y- und x-Richtung beide Anteile in unterschiedlicher Stärke vorhanden sind. Wird nun berücksichtigt, dass bei normalen Fresnel-Reflexionen die s-polarisierten Anteile generell einen höheren Reflexionsgrad haben als die p-Anteile und der Reflexionsgrad für s-Polarisation mit steigenden Inzidenzwinkeln i in der Regel monoton ansteigt, während bei p-Polarisation eine starke Inzidenzwinkelabhängigkeit des Reflexionsgrades mit einem ausgeprägten Minimum beim sogenannten Brewster-Winkel vorliegt, so ist ersichtlich, dass in Bereichen um die y-Achse mit stark überwiegendem p-Anteil die Transmission des Axiconelementes generell höher sein wird als in Bereichen um die x-Achse, wo überwiegend s-Polarisation vorliegt. Dementsprechend zeigt die Energieverteilung der Strahlung nach Durchtritt durch das Axiconelement in dessen Pupille eine zweizählige Radialsymmetrie, bei der um die y-Achse zentrierte Quadranten I und III mit relativ hoher Intensität existieren, während sich in den um die x-Achse zentrierten Quadranten II und IV weniger Lichtintensität findet (Fig. 3). Eine Abschätzung für typische Neigungswinkeln α, bei denen die Inzidenzwinkel in der Nähe des Brewster-Winkels liegen können, ergibt einen Unterschied der Lichtenergie im benachbarten Quadranten in der Größenordnung von bis zu 10%. Dies führt zu einer energetischen Elliptizität der Pupille, die z.B. bis zu 10% betragen kann. Dabei ist die Elliptizität E definiert als:
E = 100 -^^^ .100% /(//) + I(IV)
Normalerweise sind jedoch deutlich niedrigere Elliptizitätswerte angestrebt, beispielsweise mit E < 1 %. Die Erfindung stellt Kompensationsmittel zur Verringerung dieser Elliptizität bereit.
Bei der Ausführungsform eines Axicons gemäß Fig. 2 ist die Axicon- fläche 52 mit einer optischen Kompensationsbeschichtung 60 belegt, die auf die Kegelfläche beispielsweise durch ein geeignetes PVD-Verfahren, insbesondere durch Elektronenstrahlverdampfen aufgebracht ist. Die Kompensationsschicht ist ein Mehrschichtpaket mit Einzelschichten aus dielektrischen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei abwechselnd hochbrechendes und niedrigbrechendes Material übereinanderliegt, um die optische Wirkung über Interferenzeffekte zu erreichen. Im Beispielsfall ist die Kompensationsschicht 60 so ausgelegt, dass die um die y-Achse liegenden azimutalen Bereiche der Kompensationsschicht einen deutlich niedrigeren Transmissionsgrad T bzw. höheren Reflexionsgrad haben, als diejenigen Azimutalbereiche, die um die x-Achse zentriert sind und somit im Zentrum der Quadranten II und IV liegen. Zwischen diesen Bereichen findet ein kontinuierlicher Übergang statt.
In Fig. 3 ist schematisch die zugehörige elliptische Transmissions- funktion T der Kompensationsschicht 60 gezeigt, bei der der Abstand der (gestrichelt gezeichneten) Ellipsenlinie 61 von der optischen Achse 3 ein Maß für den Transmissionsgrad der Kompensationsbeschichtung beim jeweiligen Azimutwinkel ist. Die Elliptizität der Transmissionsfunktion der Kompensationsschicht ist dabei im wesentlichen reziprok zur Elliptizität der Transmission des Axiconelementes, die sich aufgrund der azimutal variierenden Polarisationszustände ergibt. Dadurch kann eine weitgehende oder vollständige Kompensation der durch die Axicongeometrie und Polarisationseffekte bewirkten Transmissionsinhomogenität erreicht werden.
Eine vergleichbare elliptische Transmissionsfunktion einer Beschichtung kann auch dadurch erreicht werden, dass die Beschichtung als Graufilterschicht mit azimutal variierender Transmission ausgelegt ist.
Alternativ oder zusätzlich zur Axiconflache 52 kann auch die weitere Fläche 53 mit einer geeigneten Kompensationsschicht belegt sein. Eine Belegung beider Schichten kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn mit einer einzelnen Schicht nur eine unvollkommene Kompen- sation möglich ist. Die Beschichtung einer ebenen oder gegebenenfalls leicht gekrümmten Beschichtungsfläche ähnlich der Austrittsfläche 53 kann auch aus herstellungstechnischen Gesichtspunkten vorteilhaft sein.
Anhand von Fig. 4 wird als ein Beispiel für die Verwendung erfindungsgemäßer Axiconelemente bzw. Axiconsysteme ein Beleuchtungssystem 1 einer mikrolithografischen Projektionsbelichtungsanlage gezeigt, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen einsetzbar ist und zur Erzielung von Auflösungen bis zu Bruchteilen von Mikrometern mit Licht aus dem tiefen Ultraviolettbereich arbeitet. Als Lichtquelle 2 dient ein F2-Excimer-Laser mit einer Arbeitswellenlänge von ca. 157 nm, dessen Lichtstrahl koaxial zur optischen Achse 3 des Beleuchtungssystems ausgerichtet ist. Andere UV-Lichtquellen, beispielsweise ArF-Excimer- Laser mit 193 nm Arbeitswellenlänge, KrF-Excimer-Laser mit 248 nm Arbeitswellenlänge oder Lichtquellen mit Wellenlängen unterhalb 157 nm sind ebenfalls möglich.
Das linear polarisierte Licht der Lichtquelle 2 tritt zunächst in einen Strahlaufweiter 4 ein, der beispielsweise als Spiegelanordnung gemäß der DE 41 24 31 1 ausgebildet sein kann und zur Kohärenzreduktion und Vergrößerung des Strahlquerschnitts dient. Ein optional vorgesehener Verschluss ist bei der gezeigten Ausführungsform durch eine entsprechende Pulssteuerung des Lasers 2 ersetzt.
Ein als Strahlformungselement dienendes, erstes diffraktives, optisches Rasterelement 5 ist in der Objektebene 6 eines im Strahlengang dahinter angeordneten Objektivs 7 angeordnet, in dessen Bildebene 8 bzw. Austrittspupille ein refraktives zweites optisches Rasterelement 9 angeordnet ist, welches ebenfalls als Strahlformungselement dient.
Eine dahinter angeordnete Einkoppeloptik 10 überträgt das Licht auf die Eintrittsebene 11 einer Lichtmischeinrichtung 12, die das durchtretende Licht mischt und homogenisiert. Unmittelbar an der Austrittsebene 13 der Lichtmischeinrichtung 12 liegt eine Zwischenfeldebene, in der ein Reticle/Masking-System (REMA) 14 angeordnet ist, welches als ver- stellbare Feldblende dient. Das nachfolgende Objektiv 15 bildet die Zwischenfeldebene mit dem Maskierungssystem 14 auf Retikel 16 (Maske, Lithographievorlage) ab und enthält eine erste Linsen- gruppe 17, eine Pupillenzwischenebene 18, in die Filter oder Blenden eingebracht werden können, eine zweite und eine dritte Linsengruppe 19 bzw. 20 und dazwischen einen Umlenkspiegel 21 , der es ermöglicht, die große Beleuchtungseinrichtung (ca. 3m Länge) horizon- tal einzubauen und das Retikel 16 waagrecht zu lagern.
Dieses Beleuchtungssystem bildet zusammen mit einem (nicht gezeigten) katadioptrischen Projektionsobjektiv mit polarisationsselektivem Strahlteiler (beam splitter cube, BSC) und einem verstellbaren Wafer- Halter, der das Retikel 16 in der Objektebene des Projektionsobjektivs hält, eine Projektionsbelichtungsanlage für die mikrolithographische Herstellung von elektronischen Bauteilen, aber auch von optisch diffraktiven Elementen und anderen mikrostrukturierten Teilen.
Die Ausführung der der Lichtmischeinrichtung 12 vorgelagerten Teile, insbesondere der optischen Rasterelemente 5 und 9, ist so gewählt, dass eine rechteckige Eintrittsfläche der Lichtmischeinrichtung weitgehend homogen und mit höchstmöglichem Wirkungsgrad, das heißt ohne wesentliche Lichtverluste neben der Eintrittfläche, ausgeleuchtet wird. Hierzu wird der vom Strahlaufweiter 4 kommende, parallele Lichtstrahl mit rechteckigem Querschnitt und einer nicht rotationssymmetrischen Divergenz zunächst durch das erste diffraktive Rasterelement 5 unter Einführung von Lichtleitwert bezüglich Divergenz und Form verändert. Dabei bleibt die lineare Polarisation des Laserlichtes weitgehend erhalten.
Das in der vorderen Brennebene (Objektebene) des Objektivs 7 angeordnete erste optische Rasterelement 5 präpariert zusammen mit dem Objektiv 7 einen Beleuchtungsfleck mit variabler Größe und Lichtver- teilung in der Austrittspupille bzw. Bildebene 8 des optischen Systems 7. Hier ist das zweite optische Rasterelement 9 angeordnet, das im Beispiel als refraktives optisches Element mit rechteckiger Abstrahl- charakteristik ausgebildet ist. Dieses Strahlformungselement erzeugt den Hauptanteil des Lichtleitwertes und adaptiert den Lichtleitwert über die Einkoppel-Optik 10 an die Feldgröße, das heißt an die Rechteckform der Eintrittsfläche des Stabintegrators 12.
Der Aufbau des bisher beschriebenen Beleuchtungssystems mit Ausnahme des Objektivs 7 kann beispielsweise dem in der EP 0 747 772 beschriebenen Aufbau entsprechen, deren Offenbarungsgehait insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird.
Das Objektiv 7, welches im folgenden auch als Zoom-Axicon-System bezeichnet wird, enthält ein transmissionskompensiertes Axiconsystem 150, welches variabel einstellbar ist und dazu dient, eine auf seine Eintrittsfläche auftreffenden Eintrittslichtverteilung in eine aus einer Austrittsfläche austretende Austrittslichtverteilung durch radiale Umverteilung von Lichtintensität umzuformen, sowie ein ebenfalls einstellbares Zoom-System 40 zur variablen Einstellung des Durchmessers einer vom Zoom-System abgegebenen Lichtverteilung. Dadurch kann wahlweise an der Eintrittsfläche des Rasterelementes 9 ein im wesentlichen runder Beleuchtungsfleck weitgehend gleichmäßiger Intensität mit einstellbarem Durchmesser oder eine gewünschte Lichtverteilung mit einer außerhalb der optischen Achse relativ zum Axialbereich erhöhten Intensität erzeugt werden, beispielsweise in Form eines Ringes mit variablem Innen- und Aussendurchmesser.
Das Axiconsystem 150 ist weitgehend energetisch kompensiert und umfasst ein erstes Axiconelement 151 und eine in Lichtlaufrichtung dahinter angeordnetes zweites Axiconelement 152, deren Axialabstand durch eine nicht gezeigte Versteileinrichtung stufenlos verstellbar und gegebenenfalls bis auf einen Abstand Null reduzierbar ist. Das erste Axiconelement 151 hat eine ebene oder leicht spärische Eintrittsfläche und eine konkave konische Austrittsfläche, während das zweite Axiconelement 152 mit konvexer konicher Eintrittsfläche und ebener oder leicht spärischer Austrittsfläche gestaltet und damit ähnlich wie das Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 ausgeführt ist. Jedes der Axiconelemente hat an seiner Eintrittsfläche und/oder an seiner Austrittsfläche eine Kompensationsbeschichtung, die die geometrie- und polarisationsbedingten Transmissionsinhomogenitäten teilweise oder vollständig kompensiert, so dass hinter dem Objektiv 7 innerhalb beleuchteter Bereiche die Intensitätsverteiiung weitgehend homogen ist.
Bei einer anderen Ausführungsform werden die Kompensationsmittel zur Vermeidung von energetischen Inhomogenitäten dadurch gebildet, dass die Polarisationsvorzugsrichtung des linear polarisierten Laserlichtes in einem Winkel von ca. 45° zur x- bzw. y-Achse ausgerichtet ist (Teilfigur A). Dies führt in Verbindung mit einer energetischen Elliptizität, die durch den Stabintegrator 12 mit Rechteckquerschnitt (Teilfigur B) erzeugt wird, hinter dem Stabintegrator widerum zu einer weitgehend energetisch kompensierten Lichtverteilung, da die von den (nicht kompensierten) Axiconelementen eingeführte Elliptizität der energetischen Verteilung durch eine reziprok ausgerichtete Elliptizität der Transmission des Stabintegrators 12 weitgehend oder vollständig kompensiert wird. Denn der Stabintegrator durchmischt die Quadranten I bis IV durch innere Totalreflexion derart, dass die energetisch elliptische Pupille kompensiert werden kann. Es hat sich gezeigt, dass der Wirkungsgrad dieser Kompensation abhängig von der Beleuchtungseinstellung ist und bei großen Kohärenzgraden (entsprechend vielen Totalreflexionen im Stabintegrator) in der Regel besser funktioniert als bei kleineren Settings, wo weniger Reflexionen im Integratorstab stattfinden. Eine Kombination der hier beschriebenen Kompensationsmittel kann ebenfalls vorgesehen sein.
Die Erfindung ist analog auch bei reflektiv arbeitenden Axiconsystemen nutzbar, z.B. in Beleuchtungssystemen für EUV-Lithographie, die mit extrem kurzen UV-Wellenlängen im Bereich weicher Röntgenstrahlung arbeiten. Der Begriff „Licht" soll auch derartige kurzwellige Strahlung umfassen. Bei derartigen Systemen ist deren „Transmissions"- Wirkungsgrad für die Weiterleitung auftreffender Strahlung durch den Reflexionsgrad der Spiegelflächen bestimmt. Der Begriff „Transmissionsgrad" ist somit bei reflektiven Systemen allgemein als „Weiterleitungswirkungsgrad" für die auftreffende und dann reflektierte Strahlung zu verstehen.

Claims

Patentansprüche
1. Axiconsystem zur Umformung einer auf eine Eintrittsfläche des Axiconsystems auftreffenden Eintrittslichtverteilung in eine aus einer Austrittsfläche des Axiconsystems austretende Austrittslichtverteilung durch radiale Umverteilung der Lichtintensität mit: einer optischen Achse (3); mindestens einem Axiconelement (50, 151 , 152) mit mindestens einer Axiconflache (52); und
Kompensationsmitteln (60, 12) zur ortsabhängigen Kompensation von durch polarisationsselektive Reflexion an der Axiconflache bedingten Transmissionsinhomogenitäten des Axiconsystems, wobei die Kompensationsmittel auf die auftreffende Strahlung in Bezug auf die optische Achse eine im wesentlichen zweizählig radialsymmetrische Wirkungsgradcharakteristik haben, bei der ein erster Wirkungsgrad im Bereich um eine senkrecht zur optischen Achse verlaufende erste Richtung (x) signifikant größer oder kleiner ist als ein zweiter Wirkungsgrad im Bereich einer senkrecht zur ersten Richtung und zur optischen Achse verlaufenden zweiten
Richtung (y).
2. Axiconsystem nach Anspruch 1 , bei dem ein Kompensationsmittel azimutal derart relativ zu dem Axiconelement angeordnet ist, dass ein Lichtstrahl, der am Axiconelement einen Bereich relativ niedriger Transmission durchtritt, im Bereich der Kompensationsmittel einen Bereich relativ hoher Transmission durchtritt und umgekehrt.
3. Axiconsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kompensationsmittel auf die auftreffende Strahlung in Bezug auf die optische Achse eine im wesentlichen elliptische Wirkungsgradcharakteristik haben.
4. Axiconsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine optische Fläche (52) des Axiconsystems (50) mit einer optischen Kompensationsbeschichtung (60) zur ortsabhängigen Kompensation der durch polarisationsselektive Reflexion an der Axiconflache bedingten Transmissionsinhomogenitäten belegt ist.
5. Axiconsystem nach Anspruch 4, bei dem die Kompensationsbeschichtung so ausgelegt ist, dass sie in Bezug auf Transmissionsverluste ortsauflösend im wesentlichen einen reziproken Effekt erzeugt wie ein unbeschichtetes Axiconsystem.
6. Axiconsystem nach Anspruch 4 oder 5, bei dem mindestens eine Kompensationsbeschichtung ein Mehrlagen-Interferenzschichtsystem mit abwechselnd hochbrechenden und niedrigbrechenden dielektrischen Einzelschichten mit einem azimutal variierenden Transmissionswirkungsgrad ist.
7. Axiconsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem mindestens eine Kompensationsbeschichtung eine Graufilterschicht mit einem azimutal variierenden Transmissionswirkungsgrad ist.
8. Axiconsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die Kompensationsbeschichtung eine azimutale Variation der Schichtdicke hat, die vorzugsweise azimutal zweimal einen kompletten Sinusverlauf zeigt.
. Axiconsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Kompensationsbeschichtung eine azimutale Variation der Schichtzusammensetzung hat.
10. Axiconsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem das Axiconelement eine weitere Fläche (53) hat und nur die Axiconflache (52) eines Axiconelementes mit einer Kompensationsbeschichtung belegt ist.
11. Axiconsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem das Axiconelement eine weitere Fläche (53) hat und nur die weitere Fläche (53) mit einer Kompensationsbeschichtung belegt ist.
12. Axiconsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem das Axiconelement eine weitere Fläche (53) hat und sowohl die
Axiconflache, als auch die weitere Fläche mit einer Kompensationsbeschichtung belegt ist, wobei die örtlichen Verteilungen der Wirkungsgrade der Kompensationsbe- schichtungen so aufeinander abgestimmt sind, dass eine Kom- pensationswirkung erzeugt wird.
13. Axiconsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein erstes Axiconelement (151 ) mit einer ersten Axiconflache und mindestens ein zweites Axiconelement (152) mit einer zweiten Axiconflache umfasst, deren Axialabstand vorzugsweise stufenlos veränderbar ist.
14. Axiconsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dem mindestens eine weitere optische Komponente zugeordnet ist, die eine zum Axiconelement oder zu dem Axiconsystem räumlich komplementäre Transmissioninhomogenität, insbesondere eine elliptische Transmissionsfunktion, aufweist.
15. Axiconsystem nach Anspruch 14, bei dem die weitere optische Komponente ein Stabintegrator (12) mit Rechteckquerschnitt und unterschiedlichen Kantenlängen ist.
16. Beleuchtungssystem für eine optische Einrichtung, insbesondere für eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithografie, gekennzeichnet durch mindestens ein Axiconsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
17. Beieuchtungssystem nach Anspruch 16 mit einer Lichtquelle (2) zur Abgabe von linear polarisiertem Licht mit einer Polarisationsvorzugsrichtung und mindestens einem vor oder hinter dem Axiconsystem angeordneten Stabintegrator (12) mit Rechteckquer- schnitt und unterschiedlichen Kantenlängen, wobei der
Stabintegrator derart in Bezug auf die Polarisationsvorzugsrichtung verdreht ist, dass die Polarisationsvorzugsrichtung schräg zu den Seitenflächen des Stabintegrators, insbesondere in einem Winkel von ca. 45° ausgerichtet ist.
18. Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage mit: einer Lichtquelle; einem Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 16 oder 17; und einem Projektionsobjektiv.
19. Mikrolithografie-Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 18, bei der die Lichtquelle zur Abgabe von linear polarisiertem Licht ausgebildet ist und das Projektionsobjektiv ein katadioptrisches Projektionsobjektiv mit polarisationsselektivem physikalischen Strahlteiler ist.
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