CN102084298B - 包括傅立叶光学***的照明*** - Google Patents

Abstract

采用来自主光源(102)的光照明一照明场(165)的用于微光刻投射曝光设备(100)的照明***(190)，具有可变可调节光瞳成形单元(150)，其从主光源(102)接收光并且在所述照明***的光瞳成形面(110)中产生可变可调节的二维强度分布。所述光瞳成形单元(150)具有傅立叶光学***(500)，其将通过傅立叶光学***的入口平面进入的入口光束(105)转换为从所述傅立叶光学***的出口平面离开的出口光束。所述傅立叶光学***有焦距长度f_FOS和沿光轴在入口侧第一***表面和出口侧最后***表面之间测量的结构长度L并且条件(L/f_FOS)＜1/6成立。

Description

包括傅立叶光学***的照明***

技术领域

本发明涉及采用来自主光源的光照明一照明场的微光刻投射曝光设备的照明***，并且涉及包括这样的照明***的微光刻投射曝光设备。此外，本发明涉及可以用于例如作为微光刻投射曝光设备的一部分的傅立叶光学***。

背景技术

微光刻投射曝光方法现今被占主导地用于生产半导体器件和其它精细结构的器件。这涉及使用携带要被成像的结构的图案的掩模(掩模母版)，例如半导体器件的层的线图案。掩模被放入照明***和投射物镜之间的投射曝光设备中，在投射物镜的物面的区域中，并且以被照明***所提供的照明辐射所照明。由掩模和图案改变了的辐射作为投射辐射穿过投射物镜，其将掩模的图案成像于要被曝光的衬底上，衬底通常携带辐射敏感层(光致抗蚀剂)。

在投射微光刻的情形中，掩模在照明***的帮助下被照明，照明***将来自主光源(具体而言激光器)的光成形为照明辐射，照明辐射被引导到掩模上并且被特定的照明参数所界定。照明辐射照射在照明场内的掩模上(确定形状和尺寸的区，例如矩形场或者弯曲的环场)，其中照明场的形状和尺寸通常是恒定的，也就是说不可变的。通常在照明场内寻求尽可能均匀的强度分布，为了该目的，均匀化装置，例如光混合元件(例如蝇眼聚光器和/或棒积分器)可以在照明***内被提供。

此外，根据要被成像的结构的类型，经常需要不同的照明模式(所谓“照明设置”)，其可以由照明***的光瞳面中照明辐射的不同的局部强度分布而表征。在该背景下，这有时被称为“被构造的照明”或者“照明光瞳的构造”或者二次光源的构造。旨在设置特定的、可界定的二维强度分布(二次光源)的照明***的光瞳面在本申请中也被称为“光瞳成形面”，由于照明辐射的基本特性在该强度分布的帮助下“被成形”。照明设置例如包括，在传统照明设置的情形中，围绕照明***的光轴为中心并且具有不同直径的圆照明点(通常利用照明的相干性程度σ而被界定)并且，在非传统的情形中，即离轴型照明、圆环照明(或者环状照明)和极强度分布，例如双极照明或者四极照明。产生离轴(倾斜)照明的非传统照明设置尤其可以通过两个光束干涉来用于增加焦距深度并且用于增加分辨率。

在结合入微光刻投射曝光设备的照明***的情形中，照明***的“光瞳成形面”可以位于或者接近与下游的投射物镜的光瞳平面光学共轭的位置，照明***的“光瞳成形面”中旨在设置期望的二维强度分布(二次光源)。通常，光瞳成形面可以对应于照明***的光瞳面或者位于其附近。假定中间的光学器件不改变光线的角度分布，也就是说以保角方式工作，则照射于掩模图案上的照明辐射的角度分布由照明***的光瞳成形面中的空间强度分布所确定。此外，假定中间的光学器件以保角方式工作，则投射物镜的光瞳中的空间强度分布由照明***的光瞳成形面中的空间强度分布(空间分布)所确定。

被提供用于从主光源(例如激光器或者汞蒸气灯)接收光并且用于由其在照明***的“光瞳成形面”中产生期望的二维强度分布(二次光源)的照明***的那些光学部件和组件联合形成光瞳成形单元，其应当通常是可变可调节的。

本申请人的US 2007/0165202 A1(对应于WO 2005/026843 A2)披露了照明***，其中从主光源接收光的并且在照明***的光瞳成形面中产生可变可调整的二维强度分布的光瞳成形单元包括可单独驱动的单独反射镜的多镜阵列(MMA)，其以有目的的方式改变入射与反射镜元件上的辐射的角度分布，从而在光瞳成形面中形成期望的照明强度分布。

以取决于要被成像的掩模结构的方式计算照明***的光瞳成形面中的强度分布的最佳构造的方法，例如在US 6,563,556或者US 2004/0265707披露。

发明内容

本发明的一目的是提供用于微光刻投射曝光设备的照明***，其使得可以在不同照明模式之间迅速地改变。

本发明的另一目的是提供紧凑的光混合***，适于集成入微光刻投射曝光设备的照明***中，并且在基本没有引入几何光通量的小几何光通量的情形中能够影响光混合。

为了实现这些和其它目的，本发明提供包括权利要求1的特征的照明***和包括权利要求24的特征的傅立叶光学***。此外还提供了包括权利要求26特征的光混合***和包括权利要求28特征的投射曝光设备。

在所附权利要求中规定了有利的发展。所有权利要求的用语在本说明书的上下文中通过引用的方式被结合。

本发明的一个方面提供了微光刻投射曝光设备的的照明***，其采用来自主光源的光照明一照明场。照明***具有可变可调节的光瞳成形单元，用于从主光源接收光并且用于在照明***的光瞳成形面中产生可变可调节的二维强度分布。光瞳成形单元具有傅立叶光学***，用于将通过傅立叶光学***的入口平面进入的入口光束转换为从傅立叶光学***的出口平面离开的出口光束，其中傅立叶光学***具有焦距长度f_FOS和沿光轴在入口侧第一***表面和出口侧最后***表面之间测量的结构长度L并且条件(L/f_FOS)＜1/6成立。

表达“傅立叶光学***”在此表示将在傅立叶光学***的入口平面中存在的辐射功率分布转变为出口平面的辐射功率分布同时保持穿过的辐射的几何光通量(entendue)的光学***。在该情形中，出口平面是相对于入口平面的傅立叶变换后的平面。在该情形中，穿过的光束在入口平面中界定特定形状和尺寸的入口面，例如圆形入口表面或者一些其它方式的正方形或者矩形入口面。在傅立叶变换后的出口平面中，光束界定其形状和尺寸由入口平面中的辐射的角度分布所确定的出口面。在该情形中，入口面的几何由穿过的光线的光线高度所界定。入口面的几何在出口平面中通过傅立叶光学***被转换为对应的角度分布(光线角度的分布)。“入口面”和“出口面”在此分别被界定为穿过的光束与入口平面和出口平面的交叉的区域，并且因而各自包括特定的表面面积。在入口平面和出口平面之间发生的傅立叶变换过程中，入口面中个每个单独的表面元件在整个出口面上的功率分布根据局部散度在出口面上而被分布。在该情形中，在出口侧被接收的所有的表面元件在至少一个维度上被添加地叠置。

真实光学***内的光束包含具有不同传播方向的多个光线。光束的光线的角度分布可以由光束的散度DIV所描述，它描述了光束内光线之间最大的角度差异。作为替代，还可以提供通过光束的数值孔径NA的描述，它在本申请中对应于散度角度的一半的正弦。在近轴光学部件中，也就是说在相对与光学***的光轴的小光线角度的情形中，数值孔径NA因而对应于散度的一半，也就是说NA＝DIV/2。傅立叶光学***对于以给定输入散度(在入口面上的散度)穿过的光束的影响可以以简化的方式被描述，使得在输入侧上的光线的各光线角度RA_E被分配一光线高度RH_A，其正比于出口侧上的光线角度。光线高度在此被界定为在相对于光轴的给定轴位置的光线的垂直距离。在入口侧上光线角度和在出口侧上光线高度之间的正比性由傅立叶光学***的焦距长度f_FOS根据RH_A＝f_FOS*sin(RA_E)给出。

因为傅立叶光学***根据傅立叶光学***的焦距长度将在其入口侧上的光线角度相应地转换为在其出口侧上的光线高度，所以具有大焦距长度的傅立叶光学***可以例如将具有给定的小输入散度的输入束成形为具有对应的较大的截面面积的出口光束，其中，对于给定的傅立叶光学***的焦距长度，入口面和出口面之间的尺寸关系取决于输入散度，并且输入散度越大则尺寸关系越小。

在采用激光作为主光源工作的照明***中，根据激光辐射的空间相干性，通常主辐射在具有相对小束截面的光束中存在非常小的散度。另一方面，在照明***中，要求在照明***内具有其中穿过的辐射具有相对大的束截面的至少一区。如果，在大束截面区中，例如，光调制装置被使用以便可变地调整在照射光束内存在的辐射的角度分布，则可以改善可变调整的空间分辨率，如果光调制装置位于具有相对大的束直径的区中并且包含具有许多可单独驱动的单独的元件的阵列，每个元件以角度改变的方式各自影响照射光束的部分光束。在光调制装置处束直径越大，提供足够大量的可控的单独的光调制装置的元件以便使得角度调整的高空间分辨率则越简单。

具有相对大焦距长度的傅立叶光学***可以被用于产生具有相对大束截面的束，尽管进入的光束的散度相对小。另一方面，在照明***中，通常仅在有限程度上可获得用于光瞳成形单元的光学子***的结构空间。通过使用根据本发明的傅立叶光学***，可以调和一方面具有小散度的输入光束的有效束扩展和另一方面相对小的结构空间需求的冲突的要求。

优选，对于远距因子(telefactor)TF＝L/f_FOS条件(L/f_FOS)＜0.166成立。远距因子可以是例如0.125或更小、或者0.1或更小、或者0.075或更小。

在一些实施例中，傅立叶光学***的焦距长度f_FOS是10m或更大(例如15m或更大、或者20m或更大、或者50m或更大)并且结构长度L小于4m，例如3.5m或更小或者3m或更小。

傅立叶光学***引起奇数傅立叶变换并且可以引起例如3或者5傅立叶变换。优选在入口面和出口面之间仅发生单个傅立叶变换，由此适合短结构长度。

具有与焦距长度相比的相对短的结构长度的傅立叶光学***通常具有至少3个透镜。在一些实施例中，傅立叶光学***包括具有入口侧第一透镜和出口侧第二透镜的第一透镜组，并且还包括布置于第一透镜组的下游的并且具有入口侧第一透镜和出口侧第二透镜的第二透镜组，其中在第一透镜组的出口侧最后***表面和第二透镜组的入口侧第一***表面之间存在组距离d_G。在该配置中，因而，至少提供4个透镜。可以包括多个单独的透镜；一或者更多的透镜也可以作为被划分的透镜或者透镜组而配置。组距离通常大于第一和第二透镜组的结构长度。

在一些实施例中，对于组距离d_G，条件d_G＞0.60*L成立。组距离可以因而可以占据总结构长度L的显著的比例。条件d_G＞0.65*L或者d_G＞0.7*L也可以成立。因而第一和第二透镜组的相互面对的透镜应当在相对大的距离，这例如对于这些透镜的能量负载而言是有利的。

与焦距长度相比组距离可以相对小。在一些示范性实施例中，条件d_G＜0.12*f_FOS成立。具体地，d_G＜0.10*f_FOS或者d_G＜0.08*f_FOS或者d_G＜0.06*f_FOS成立。

对于透镜元件的辐射负载优化的傅立叶光学***的结构的结构原理与示范性实施例结合被彻底地解释。

如果傅立叶光学***被设计以传输给定几何光通量H下的单位时间的辐射能量E，P_A是第一透镜组的出口侧第二透镜的可以预先确定的最大能量负载，并且P_B是第二透镜组的入口侧第一透镜的可以预先确定的最大能量负载，则在一些示范性实施例中，提供第一透镜组的出口侧最后***表面和第二透镜组的入口侧第一***表面之间的组距离d_G不小于最小组距离d_G ^min，其中对于最小组距离下式成立：

d_G ^min＝n/H*E/(PaPb)^1/2

如果该条件符合，可以实现的是由辐射负载所具体危害的透镜不被过量加载，结果没有透镜退化的连续操作是可能的。

另一方面，为了保持总结构长度L适当，可以提供d_G ^min和3*d_G ^min之间的组距离d_G。

在一些实施例中，光瞳成形单元具有布置于傅立叶光学***的上游的光混合装置。该光混合装置因而被布置于主光源和傅立叶光学***之间。如果光混合装置混合进入的辐射使得在角域中存在基本均匀的分布，则该分布通过布置于下游的傅立叶光学***而被转换为在出口面区中的空间域中均匀的光分布，这就是说出口面的大的均匀的照明。该光混合装置可以包括至少一蝇眼聚光器。面对傅立叶光学***的蝇眼聚光器的后焦平面可以与傅立叶光学***的入口面基本一致或者相对于入口面被稍稍移动。通过在角域中具有均匀效果的光混合装置与布置于下游的傅立叶光学***的结合，可以混合或者均匀化具有相对低几何光通量的输入光，例如来自激光束的光，而基本不引入几何光通量。

在一变型中，傅立叶光学***具有至少一对十字圆柱透镜***，其中一对十字圆柱透镜***具有第一圆柱透镜***和第二圆柱透镜***，第一圆柱透镜***具有弯曲为第一曲率面的至少一第一圆柱表面，第二圆柱透镜***具有弯曲为第二曲率面的至少一第二圆柱表面，其中第一和第二曲率面相互垂直。在某些负载条件下，负载优化的傅立叶光学***的结构长度采用十字圆柱透镜***可以比采用旋转对称透镜更小。

具有不同取向的曲率面的多个圆柱透镜可以被交错，这就是说以交替的顺序布置。还可以将不同取向的圆柱透镜分组为“纯”子***。在一变型中，傅立叶光学***具有第一圆柱透镜组，和布置在下游的第二圆柱透镜组，第一圆柱透镜组具有多个第一圆柱透镜，第二圆柱透镜组具有与曲率面正交取向的多个第二圆柱透镜。

本发明还涉及傅立叶光学***，用于将进入傅立叶光学***的入口平面的入口光束转变为离开傅立叶光学***的出口平面的出口光束，其中傅立叶光学***具有焦距长度f_FOS和沿光轴在入口侧第一***表面和出口侧最后***表面之间测量的结构长度L，并且条件(L/f_FOS)＜1/6成立。

傅立叶光学***可以被用于如所述或者其它的微光刻的投射曝光设备的照明***中。作为替代，还可以用于其它辐射导向***中，例如在激光处理机中。

本发明还涉及用于从主光源接收光线并且用于在照明表面中产生基本均匀的二维强度分布的光混合***，其中光混合***具有所述类型的傅立叶光学***，并且在角域中有效的光混合装置被布置于傅立叶光学***的上游。可以由此提供具有适当空间要求的紧凑的光混合***，它能够在小几何光通量的情形下带来光混合，而基本不引入几何光通量。

本发明还涉及一种微光刻投射曝光设备，采用掩模图案的至少一个像曝光布置于投射物镜的像面的区域中的辐射敏感衬底，掩模图案的至少一个像布置于所述投射物镜的物面的区域中，所述设备包括：主光源；照明***，从所述主光源接收光并且成形引导到所述掩模的图案上的照明辐射；投射物镜，成像所述掩模结构于光敏衬底上，其中照明***包括至少一在本申请中描述的类型的傅立叶光学***。

表达“辐射”和“光”在本申请的含义内应当被广义解释，并且旨在尤其包括来自深紫外范围的电磁辐射，例如在大约365nm、248nm、193nm、157nm或者126nm的波长。

上述和进一步的特征不仅从权利要求而且还从说明书和附图显见，其中单独的特征可以在各情形中通过其自身被实现，或者以本发明的实施例中和其它领域的子组合的形式被实现多个，并且可以代表有利的和固有的可被保护的实施例。

附图说明

图1示出了具有光瞳成形单元的微光刻投射曝光设备的示意性整体图。

图2示意性地示出了光瞳成形单元的实施例的基本器件，其中图2A是整体图并且图2B、2C示意性的示出了在光瞳成形单元中所使用的多镜阵列；

图3在3A和3B中示出了具有蝇眼聚光器的光混合***和布置在下游的傅立叶光学***。

图4在4A中示出了具有蝇眼聚光器和布置在下游的折叠的傅立叶光学***的光瞳成形单元的示意图，并且在图4B中示出了具有不同光混合装置和布置于下游的折叠傅立叶光学***的光瞳成形单元。

图5示出通过可以在光瞳成形单元中所使用的傅立叶光学***的实施例的子午线透镜截面。

图6示意性地示出了穿过傅立叶光学***的近轴光线的路径；

图7示意性地示出了穿过光学***的近轴光线路径的图和相关的Delano图；

图8示出了Delano图中两点之间的距离D的图；

图9示出了光学***的光学元件的能量负载模型；

图10示出了仅具有1个透镜和屈光度b的傅立叶光学***的Delano图；

图11示出了具有3个屈光度的傅立叶光学***的Delano图；

图12示出了具有4个透镜和屈光度的傅立叶光学***的Delano图；

图13示出了对于傅立叶光学***的不同的表面，面积相关的辐射功率密度S的半定量图；

图14示出了在各情形中具有4个单独透镜和不同的屈光度顺序的傅立叶光学***的简化的Delano图，即图14A中的pppp，图14B中的pnpp和图14C中的ppnp；

图15示出了具有圆柱透镜的傅立叶光学***的示意性透视图；

图16示出了具有相关的输入场和输出场的傅立叶光学***的示意图。

图17示出了相似于图12的示出透镜的负载优化布置的简化的Delano图。

图18示出了具有4个透镜和透镜顺序pnnp的旋转对称傅立叶光学***的Delano图。

图19示出了具有长输出峰焦距长度的第一圆柱透镜组的Delano图，第一圆柱透镜组在辐射方向被布置于第二圆柱透镜组(图20)的前面。

图20示出了第二圆柱透镜组的Delano图，第二圆柱透镜组在辐射方向被布置于第一圆柱透镜组(图19)的后面。

具体实施方式

图1示出了的微光刻投射曝光设备100的示例，其可以在半导体器件和其它精细结构的器件的生产中使用，并且采用来自深紫外范围(DUV)的光或者电磁辐射工作以便获得低至微米的分数的分辨率。具有大约193nm的工作波长的ArF受激准分子激光用作主光源102，所述激光的线性偏振的激光束被耦合进入与照明***190的光轴103同轴的照明***。其它UV光源，例如具有157nm工作波长的F₂激光，具有248nm的工作波长的ArF受激准分子激光，或者例如具有368nm或者436nm的工作波长的汞蒸气灯，和具有小于157nm的波长的主光源，同样是可能的。

来自光源102的偏振光首先进入束扩展器104，它可以被具体实施为例如根据US5,343,489的镜阵列并且用作减小束的相干性并且放大束截面。

被扩展的激光束具有包含例如100mm²和1000mm²之间的范围内的特定截面面积和例如正方形截面形状的特定截面形状。扩展的激光束的散度通常小于束扩展之前的非常小的激光束的散度。散度可以例如在大约1mrad和大约3mrad之间。

扩展的激光束进入光瞳成形单元150，光瞳成形单元150包含多个光学器件和组并且被设计以在照明***190的下游光瞳成形面110中产生界定的、局部(二维)照明强度分布，它有时也被称为二次光源或者“照明光瞳”。光瞳成形面110是照明***的光瞳面。

光瞳成形单元150是可变可调节的，使得不同的局部照明强度分布(也就是说不同结构的二次光源)可以根据光瞳成形单元的驱动而被设置。图1以例举的方式示意性地示出了圆照明光瞳的各种照明，即具有居中的圆形照明点的传统设置CON、双极照明DIP或者四极照明QUAD。

布置得直接紧邻光瞳成形面110的是光学光栅元件109。布置于光学光栅元件109下游的内耦合光学单元125传输光线于中间场平面121上，其中掩模母版/掩模***(REMA)122被布置，它用作可调节场光阑。

光学光栅元件109具有衍射或者折射光学元件的二维布置并且具有多个功能。首先，光栅元件成形进入的辐射，使得其在穿过下游的内耦合光学单元125之后在场平面121的区域中照明矩形照明场。光栅元件109-也被称为场界定元件(FDE)-在该情形中具有矩形特征，产生几何光通量的主要部分，并且在场平面121中匹配其至期望的场尺寸和场形状，场平面121与掩模平面165是光学共轭的。光栅元件109可以被实现为棱镜阵列，其中以二维阵列布置的单独的棱镜引入局部的特定角度，以便根据期望照明场平面121。由内耦合光学单元125产生的傅立叶转换具有在光栅元件的出口的各特定角度对应于场平面121中的位置的效果，而光栅元件的位置，也就是说其对应于光轴103的位置，决定场平面121中的照明角。从单独的光栅元件发出的光束在该情形中被叠加在场平面121中。还可以以具有微圆柱透镜和扩散屏的多级蝇眼聚光器的方式配置场界定元件。通过光栅元件109或者其单独的元件的合适的设计可以被实现的是场平面121中的矩形场被基本均匀地照明。光栅层109因而作为场成形和均匀化元件，还用于均匀化场照明，结果，分立的光混合元件，例如利用多内部反射的积分器棒，或者蝇眼聚光器可以被省却。作为这样的结果，在该区中光学构造轴向变得尤为紧凑。

下游成像物镜140(也称为REMA物镜)采用场光阑122成像中间的场平面121于掩模母版160(掩模，原始光刻的)上，以可以在2∶1和1∶5之间的比例，例如，并且在所述实施例中是大约1∶1。实现成像，而没有中间图像，使得精确地一个光瞳面145位于中间场平面121和成像物镜的像面165之间，光瞳面145是对于照明***的出口平面165的经傅立叶转换的表面，中间场平面121对应于成像物镜140的物面，像面165对于所述物面是共轭的并且对应于照明***的出口平面，并且同时对于下游的投射物镜170的物面。在其它实施例中，至少一中间图像在成像物镜中产生。布置于所述光瞳面145和像面之间并且对于光轴103倾斜45°的偏转镜146使得可以水平结合相对大的照明***(长度有几米长)，并且水平地安装掩模母版160。辐射影响元件，例如用于设置照明辐射的界定的偏振状态的偏振影响元件，可以被布置于中间场平面121和成像物镜的像面165之间。

这些从激光器102接收光并且从引导到掩模母版160上的光照明辐射成形的光线器件属于投射曝光设备的照明***190。布置于照明***下游的是固定和操纵掩模母版160的装置171，使得布置于掩模母版上的图案位于投射物镜170的物面165中，并且可以在该平面中移动该图案，用于在扫描驱动的帮助下在垂直于光轴103(z方向)的扫描方向(y方向)上进行扫描操作。

在掩模母版平面165的下游跟随着投射物镜170，它作为减小物镜并且以减小的比例(例如1∶4或者1∶5的比例)将布置于掩模160上的图案成像于涂覆以光抗蚀剂层的晶片180上，所述晶片的光敏表面位于投射物镜170的像面175中。折射、折反射或者反射投射物镜是可能的。其它减小的比例，例如高达1∶20或者1∶200的较大的减小是可能的。

被曝光的衬底，在示例的情形中是半导体晶片180，衬底被装置181夹持，装置181包括扫描曝光机驱动器以便与垂直于光轴的与掩模母版160同步移动晶片。根据投射物镜170的设计(例如，折射、折反射或者反射，没有中间的图像或者具有中间的图像，折叠或者未折叠)，这些移动以相互平行或者反平行的方式来实现。装置181也被称为“晶片台”，装置171也被称为“掩模母版台”，装置181和装置171是利用扫描控制装置控制的部分扫描曝光机装置。

光瞳成形面110位于或者接近与最接近的下游的光瞳面145以及投射物镜170的像侧光瞳面172光学共轭的位置。结果，投射物镜的光瞳172中的空间(局部)光分布由照明***的光瞳成形面110中的空间光分布(空间分布)所确定。在光瞳面110、145、172之间，相对于各光瞳面被傅立叶转换的场面分别位于光束路径中。这意味着，具体地，光瞳成形面110中照明强度的界定的空间分布产生下游场面121的区中照明辐射的特定角分布，这继而对应于入射于掩模母版160上的照明辐射的特定的角分布。

图2示意性地示出了光瞳成形单元150的实施例的基本部件。进入的、扩展的激光辐射束105由平面偏转镜151偏转到蝇眼聚光器(蝇眼透镜)152的方向，蝇眼聚光器分解到达的辐射束为部分照明光束，其随后通过傅立叶光学***500被传输至透镜阵列155上，也就是说至透镜***的二维阵列布置上。透镜阵列155集中部分照明光束156于多镜阵列300(MMA)的可单独驱动的镜元件上，这将结合图2B和2C被更为详细地解释。这里多镜阵列作为反射性光调制装置工作，用于可控改变入射于光调制装置上的辐射束的角度分布，利用其单独的镜102的取向，提供一照明角度分布，该照明角度分布可以在多镜阵列的帮助下界定，并且叠加于光瞳成形面110中，从而形成该光瞳面中的强度分布。多镜阵列单独的镜302被安装于公共载体元件301上，镜302可以围绕一或者更多的轴被倾斜，以改变入射的部分照明光束156的传播角度。从单独的镜300发出的部分照明光束穿过扩散屏157，并且利用下游的聚光器光学单元158被成像到光瞳成形面110上。透镜阵列155和/或微镜阵列300可以基本以在本申请人的US 2007/0165202 A1所描述的方式被构造。在这方面该专利申请的公开通过引用的方式被结合入本说明书中。透射性光调制装置也是可能的。

图3A、3B示意性地示出了位于光学偏转镜151和多镜阵列300之间的一些光瞳成形单元150。可选择的透镜阵列155的图已经被省略。图3A示出了穿过蝇眼聚光器152的通道的单独的部分照明光束是如何在蝇眼聚光器和下游的傅立叶光学***500的帮助下成像于多镜阵列300上的。在此傅立叶光学***作为聚光器工作，并且被布置使得蝇眼聚光器的第二蝇眼通道板152A位于傅立叶光学***500的入口侧(前)焦平面中，并且多镜阵列300位于傅立叶光学***500的出口侧(后)焦平面中。为了图示的目的，部分照明光束的被选择的光线的路径以实线和虚线的形式被示出；光轴103是点划线。实线表示在最大可能的角度照射于蝇眼聚光器152的对应的蝇眼通道上的那些部分照明光束的光线。相反，虚线表示平行于光轴并且因而以最小的可能的角度照射于单独的蝇眼通道上的那些部分照明光束的光线。结果，蝇眼聚光器上游的部分照明光束的散度由实线的成像光线路径之间的全孔径角给出。在图3A中入口侧散度DIVE通过实心圆被象征性地表示，其被填充的区旨在是部分照明光束的散度的量度。

在辐射穿过方向的蝇眼聚光器152的下游，也就是说在蝇眼聚光器之后，是虚线的成像光线路径确定部分照明光束的散度。该出口侧散度DIVA继而以实心圆的形式被象征性地表示，其面积大于表示入口侧散度的圆的面积，其结果是蝇眼聚光器152的散度增加效果被示出。

图3B示出了，与图3A形成对比，穿过蝇眼聚光器的不同蝇眼通道的两部分照明光束的图。两个部分照明光束路径都表示平行于光轴传播并且因而垂直照射于蝇眼聚光器上的成像光线路径。可以认识到穿过不同蝇眼通道的部分曝光光束在傅立叶光学***500的帮助下而在多镜阵列300的区中被叠加。成像光线路径在多镜阵列300上相同的位置被叠加，既便它们来源于两个不同的蝇眼通道。

如果示出的两个部分照明光束相互具有空间相干性，则在高空间相干性的情形中，这可以具有来自多镜阵列的叠加的效果，周期性强度波动跨过多镜阵列发生，它通过强度函数310被示意性地示出。因而，一或者多个相干性减小的元件可以被***光束路径，例如在蝇眼聚光器的区中的合适的相位元件153。相位元件可以被设计使得它在蝇眼聚光器的区中不同地影响不同部分曝光光束的相对相位，并且因而影响其彼此相对的相位移动，结果在多镜阵列的叠加的区中，发生许多周期函数的叠加，这整体导致在多镜阵列的区中强度波动的显著减小。

相位元件的使用例如在本申请人的美国临时申请No.61/015918中所解释的，它提交于2007年12月21日并且其公开的内容通过引用的方式被合并在本说明书的内容中。

为了优化光刻工艺，通常期望在照明***的光瞳面中以高精度和高空间分辨率设置二维强度分布。如果照明光瞳使用具有可以用于改变照射辐射的角分布的多个可单独驱动的单独的元件的二维阵列布置(例如多镜阵列300)的光调制装置而被构造，则空间分辨率可以通过对应的具有匹配的动作特性的大量单独的元件而被实现。因而，例如，多镜阵列可以包括多于500、或者多于1000、或者多于2000、或者多于4000个可驱动的单独的元件。另一方面，构造变得更为复杂并且结构尺寸变得更大，更多的单独的元件要被容纳，使得由于实际原因单独元件数量的上限经常是几万单独的元件，例如小于80000、或者小于60000、或者小于40000个单独的元件。具有高空间分辨率的光调制装置因而通常具有达到至少一或者多个平方厘米并且可以是例如在大约2cm²和80cm²之间至100m²或更大的面积范围。

为了实现被提供的所有光调制装置的单独的元件的完全的照明，因而，照明光束的截面需要与要被照明的光调制装置的截面区匹配。在进入光瞳成形单元并且具有典型的例如10至100mm²的截面面积的激光光束的情形中，要求束截面与要被照明的光调制装置的尺寸匹配。该任务通过所述实施例中的傅立叶光学***500进行，该***下面更为详细地描述。

在该方面，图4在4A中示出了光瞳成形单元的示意图，该光瞳成形单元具有蝇眼聚光器152、傅立叶光学***500、透镜阵列155和微镜阵列300。因为结构空间的原因，傅立叶光学***以Z形方式折叠，对于该目的，具有平面反射偏转镜表面的两个偏转棱镜501、502被布置于束路径中。图4B示出了其中蝇眼聚光器被不同的光混合装置152A替代的变型，光混合装置152A可以包括例如棒积分器或者光纤或者对应的光纤束。傅立叶光学***500被设计使得能够将具有小散度的输入光束转换为具有相对大截面的光束。为了该目的，相对小的输入侧光线角度在傅立叶光学***的出口侧被转换为光线高度。

在图5中的傅立叶光学***500的示范性实施例的基础上，下面给出设计用作在微光刻投射曝光设备中的照明***中的光束匹配***的傅立叶光学***500的构造和功能的更为详细的解释。傅立叶光学***将存在于傅立叶光学***的入口平面510或者在发射平面中的非常小的几何光通量和高功率的辐射功率分布，在保持所述几何光通量的情况下，转换到出口平面520中，出口平面520是对于入口平面傅立叶转换的，并且还可以被称为接收平面。在傅立叶光学***被结合入照明***的情形中，接收平面520例如可以位于透镜阵列155附近。在该情形中，穿过的光束界定入口平面中的入口面511和出口平面中的出口面521，所述出口面通过傅立叶变换与入口面相关。在该情形中，入口面511中各单独的表面元件的局部辐射功率分布在出口面的整个表面上分布，结果来源于多个入口侧表面元件的辐射功率在各情形中被加性地叠加在出口面中。这导致局部辐射功率的均匀化。

傅立叶光学***500，以下也被简称为“F光学单元”，具有5个透镜并且没有其它具有屈光度的光学元件，也就是说傅立叶光学***500被纯折射地构造。透镜被布置于相互间隔开的两个透镜组LG1、LG2中。入口侧第一透镜组LG1具有入口侧第一透镜L1-1和出口侧第二透镜L1-2，第一透镜L1-1具有正屈光度(正透镜，p透镜)和双凸透镜形式，出口侧第二透镜L1-2具有负屈光度(负透镜，n透镜)和在出口侧上凹入的负弯月面透镜形式。距L1-2的下游的大距离d的第二透镜组LG2具有双凹透镜形式的具有负屈光度的入口侧第一透镜L2-1和两个出口侧第二透镜，即在入口侧上凹入的正弯月面透镜L2-2和下游的双凸正透镜L2-3，双凸正透镜L2-3在出口侧上形成傅立叶光学***的最后的透镜。

***数据在表A中列出，列“半径”指示对应表面的曲率半径；列“厚度”指示光轴上的中心厚度。

表A

在弱正第一透镜L1-1的入口侧第一***表面S1的顶点和出口侧正透镜的出口侧最后***的凸的表面S10的顶点之间，存在指定傅立叶光学***的物理结构长度的距离L。在第一透镜组LG-1的出口侧最后***表面S4和第二透镜组的入口侧第一***表面S5之间，存在组距离d_G，它是对应地界定的透镜组LG1和第二透镜组LG2的组结构长度的几倍大。

在傅立叶光学***500的情形中，入口平面或者发射平面510位于傅立叶光学转换器500的前焦点，而出口平面或者平面520位于转换器500的后焦点。入口平面和出口平面之间的距离A因而对应于光学***的焦平面距离。

示范性实施例具有焦平面距离A＝1750mm和结构长度L＝1665mm。透镜组LG1、LG2之间的组距离d_G是1254mm。傅立叶光学***具有25000mm的焦距长度f_FOS。下列屈光度单位[m^-1]的屈光度分布成立：L1-1：2.0；L1-2：-4.0；L2-1：-30；L2-2：2.50；L2-3：2.50；总屈光度：0.040。

这些值通过示例的方式展示了该类型的傅立叶光学***的第一具体特征。如已知的，具有焦距长度f的薄正透镜进行其前焦平面和其后焦平面之间的傅立叶转换，其中前和后焦平面之间的距离则对应于焦距长度的2倍，也就是说2f的焦平面距离。假定25000mm的焦距长度(如在傅立叶光学***500的实施例中)，因而导致50000mm的焦平面距离。与其相比，在示范性实施例中焦平面距离A＝1750mm小了一个因数，使得与其大焦距长度相比，傅立叶光学***被构造得轴向非常紧凑。这是使得可以将这样的傅立叶光学***集成入投射曝光设备的照明***的前提条件之一。

在傅立叶光学***的设计中考虑的进一步的边界条件起因于微光刻投射曝光设备的照明***内傅立叶光学***旨在作为对于高能激光辐射的束引导***的事实。在傅立叶光学***内，要被传输的功率通过具有相对小面积的光学元件而被引导，这导致高局部辐射功率。但是，当材料特有的限值在辐射负载下被超过时，透镜所使用的光学材料可以退化。为了避免透镜的退化，透镜的能量负载，例如作为能量密度以[mJ/cm²]测量，应当被保持得尽可能低，或者对于各透镜应当在材料特有的阈值以下。相反永久暴露于较高的辐射负载的构件在某些环境下，在光学***的寿命期间需要被替换。

为了避免辐射支配的透镜的退化，该***应当以这样的方式构造，使得光学元件不位于能量流的最窄的缩颈处，这还可以作为各透镜上的受照射的表面必须不变得过小的要求。原则上，采用发射平面和接收平面之间增大的距离可以使受到照射的截面变大，也就是说采用较大的结构空间，以便以该方式避免负载超过阈值。但是，如上面所解释的，发射平面和接收平面之间的距离，并且因而傅立叶光学***所要求的结构空间，应当被保持得尽可能小，这继而增加了单独透镜的高辐射负载的风险。结果，傅立叶光学***的结构长度和该傅立叶光学转换器以高能量辐射工作的寿命表示相互冲突的要求。因而，存在对于特定考虑的需要，以便实现在傅立叶光学***的前和后焦点之间的有限的结构空间中屈光度的布置，同时限制局部辐射功率值小于材料特有的限值。

下面更为详细地解释考虑***特定的辐射负载的阈值的确定屈光度的空间布置的方法。在该情形中，光学***在所谓由Delano所作的图(Delano图)中的参数的帮助下被描述，并且该描述与考虑辐射负载的负载模型结合。采用Delano图来描述光学***的方法本身已知，并且下面结合图6至8以对于本申请看来有用的程度被解释。关于Delano图的原理可以从例如技术文献“一阶设计和y-ybar图”，由E.Delano，Applied Optics，Vol.2，No.12，1963年12月中获得。

Delano图通常示出两条选择的光线，即孔径光线和场光线的光线高度或者光线角度。孔径光线可以是例如光阑边缘光线(简称：边缘光线)并且场光线可以是例如光阑中心光线。如果孔径光阑位于主表面上，则光阑中心光线对应于主光线，并且主表面则同时是入口和出口光瞳。相反，如果孔径光阑位于前焦平面，则光阑中心光线是焦点光线。出口光瞳则在无穷远。

图6示意性地示出了穿过透镜L的光束的参考光线RR和边缘光线MR的近轴光线路径，该透镜L在入口光瞳EP和接收器平面IM之间具有焦距长度f。在此所使用的参考光线是从物场或者与其光学共轭的接收场的边缘点延伸并且在入口光瞳或者与其光学共轭的光瞳平面的区中与光轴交叉的光线。边缘光线从与物平面或者与其光学共轭的像平面与光轴的交点通过至孔径光阑的外边，或者在图6的图示中，至入口光瞳的外边。这些光线距光轴的垂直距离产生对应的光线高度，它被分别称为参考光线高度和边缘光线高度。在Delano图中，在平面图中(近轴)主光线高度相对(近轴)边缘光线高度被绘制，其中主光线高度在x方向(横坐标)被绘制并且边缘光线高度在y方向(纵坐标)被绘制。这在图7A和B中被更为详细地解释。传统上，纵坐标(边缘光线高度)由参数“y”指定并且横坐标(x方向)由参数(“ybar”)指定。由虚线描绘的光线A对应于参考光线和边缘光线的矢量和并且被称为“Delano光线”。该光线对应于，在垂直于光轴的各平面中，Delano图的平面中的点。该光线在y-ybar平面中的投射对应于Delano图(图7B)。

根据Delano图，光学***的一些特性可以被直接读取或者相对简单地计算。物平面或者对应地像平面对应于与ybar的交叉点，由于这里参考光线高度是最大的并且边缘光线高度等于零。光瞳平面对应于与y的交叉点，由于这里参考光线高度是零。透镜直径，也就是说透镜(或者反射镜)的光学自由直径，对应于|y|+|ybar|的量值之和。透镜或者反射镜的光学表面的屈光度对应于方向的改变(比较图7A)。两个透镜之间的轴向距离d对应于连接Delano图的原点和由透镜所界定的点之间的三角形的面积(见图8)。

除了这些自身可知的特性之外，透镜或者光学元件的辐射负载也可以在Delano图中表示，这也结合图9更为详细地解释。对于光学***内负载优化的透镜布置，透镜之间的轴向距离和透镜的能量负载是基本参数，其结合下面将进一步更为详细地解释。

图8示出了两点(y₁，ybar₁)和(y₂，ybar₂)之间的几何轴向距离d，在Delano图中由直线连接，其正比于连接这些点和原点之间的三角形面积。轴向距离d可以被如下确定：

$d=\frac{n}{H}\left|\begin{array}{cc}{y}_1& {\stackrel{\‾}{y}}_1\\ y_2& {\stackrel{\‾}{y}}_2\end{array}\right|---\left(A1\right)$

在该方程中，H是对应于几何光通量LLW(etendue)的拉格朗日(Lagrange)不变量，n是点之间的折射率并且y_i和ybar_i是Delano图中对应的表面的坐标。矩阵的行列式对应于三角形面积。

***的光学元件的负载模型由参考光线和边缘光线的光线高度得出，假设均匀的能量源。这参考图9A更为详细地解释。首先，将解释在一维情形(1D)中的推导，其中1D情形对应于例如具有圆柱透镜的***(曲率仅在一平面中)。在任意z位置(也就是说沿光轴的任意位置)的积分功率，正比于主光线高度与边缘光线高度的卷积。自两个顶帽(top hat)负载继续下去，卷积产生梯形负载，其50％的宽度由最大值Max(|y|，|ybar|)给出。归因于在此在***内假设的能量守恒，其也可以被描述为几何光通量LLW守恒，梯形面积独立于Z位置，也就是说A1＝A2＝...＝An。从梯形区的50％宽度B和对应的梯形高度，梯形面积被计算作B*h。在B＝Max(|y|，|ybar|)和h＝P的情况，则是对于所有z位置，P*Max(|y|，|ybar|)＝常量的情形。这里，h＝P对应于对应表面的峰值负载。在二维情形中，也就是说在具有在多个方向具有曲率的***表面的情形中(如在球形光学部件中)，获得P*(Max(|y|，|ybar|))²＝常量，由于二维分离。

在Delano图中，常量负载被表示为原点周围的正方形(图9B)。负载在正方形之内较高并且在之外较低。正方形的尺寸可以利用边长度或者边长度的一半被参数化，因而其是在负载模型中被考虑的负载阈值的量度并且不应当超过任何***表面。负载模型在此对于传统照明设置被推导，但是也可以被延伸至其它设置。相似地，模型还可以被延伸至其它强度分布，例如高斯分布。

辐射负载对于结构长度和屈光度的数量的影响根据下列示例而被示出。通过示例的方式，具有焦距长度f＝25000mm，入口光瞳直径EPD＝36mm，入口侧数值孔径NA_O＝0.0018，结构长度L＝1.800mm和负载阈值-由透镜材料所决定-具有辐射负载＜20mJ/cm²的傅立叶光学***应当被寻找。傅立叶光学***因而被设计对于几何光通量H＝EPD/2*NA_O*n_o＝0.033mm，其中H是入口光瞳的半径EPD/2、入口侧数值孔径NA_O和入口侧折射率n_o的乘积。

图10示出了仅具有一屈光度(RP)的该F光学单元的对应的Delano图。入口光瞳在位置a，屈光度RP在位置b，并且像平面在位置d。外正方形示出2D模型的20mJ/cm²的负载阈值，内正方形用于1D模型。仅具有一个屈光度的傅立叶光学***的结构长度是50000mm，它对应于焦距长度的2倍。

如已经结合图8所解释的，由朝向原点的Delano光线所划出的面积旨在尽可能小，如果***的结构长度旨在尽可能短。具有两个屈光度的傅立叶光学***，也就是说具有在图10中的位置a和d的透镜，仅具有一半的结构长度。

图11阐明了为了显著地缩短结构长度，至少三个屈光度是必须的。在该方面，图11示出了具有三个屈光度的傅立叶光学***的Delano图(3RP光学单元)，顺序是正屈光度-负屈光度-正屈光度(pnp)。在Delano图中，清楚的是，短结构长度和低峰值负载相互妨碍。由于如果不超过峰值负载，没有透镜表面将被布置在外正方形2D内，所以这导致正比于在阴影线三角形中所包括的面积的最小距离。

图12示意性地示出了具有四个透镜(4RP光学单元)的傅立叶光学***的Delano图，其在入口光瞳和像平面之间的屈光度顺序为正-负-负-正。该pnnp***仅具有1600mm的结构长度，这可以从原点和Delano光线的投影之间的阴影线三角形显著小于图11或者图10中的三角形而被认识。

结合图8对于透镜之间的距离d与负载模型相结合解释的距离公式则可以被用于推导在接近光瞳的屈光度a和接近场的屈光度b之间至少必须存在的最小距离，如果傅立叶光学***被设计以而用于传输每单位时间的辐射能量E，在透镜表面上几何光通量和峰值能量负载P不被超过的情况下。在本说明书中，指明n是透镜之间的介质的折射率，H是指示几何光通量的拉格朗日不变量，根据H＝EPD/2*NA_O*n_o[mm]，E是能量(单位[J])，其要被穿过光学***被传输，并且P是透镜上的峰值负载，(对于二维情形(2D)单位[J/mm²]，且对于一维情形(1D)单位[J/mm])。则对于二维负载模型出现下式：

d＝n/H*E/(P_aP_b)^1/2                (A2)

并且对于一维负载模型(例如，对于圆柱透镜)出现下式，

d＝n/H*E²/(x_a P_a x_b P_b)           (A3)

在(A3)中，参数x_a和x_b分别指示非折叠方向的光线范围。

距离d可以对应于第一透镜组的出口侧最后***表面和第二透镜组的入口侧第一***表面之间的以上界定的组距离d_G(见图5)。

负载优化的傅里叶光学***可以被设计，例如使得在这些透镜上的尤其在能量方面产生危害的负载(对应于入口侧透镜组LG1的最后透镜的透镜a和对应于出口侧透镜组LG2的第一透镜的透镜b)被几乎均匀地分布，使得Pa近似Pb。两个透镜的非均匀的负载也是可能的，只要单独的负载不在阈值之上。如果考虑组距离d_G描述接近第一透镜组LG1的场的屈光度和接近第二透镜组LG2的光瞳的屈光度之间的轴向距离，则具有非常长焦距长度以及相反具有非常短结构长度的傅立叶光学***可以实质上通过设置上述透镜组之间的最小可能的组距离而可以被创造。较短的距离将总是导致两个高负载透镜的至少一个的较高的负载，由此对应的透镜的过高的辐射负载和相关的透镜的退化的风险增加。

在应用于微光刻投射曝光设备的照明***中的傅立叶光学***的设计中，上述参数可以在下列范围中。要被穿过傅立叶光学***传输的能量E可以在2mJ和20mJ之间的范围中，具体地在5mJ和10mJ之间的范围中，并且可以在例如大约7mJ至8mJ。拉格朗日不变量H可以在0.01mm和0.2mm之间，具体地在0.02mm和0.1mm之间的范围中，例如在大约0.03mm至0.05mm的范围中。

对于在傅立叶光学***的入口侧要被传输的非常小的辐射的散度，拉格朗日不变量也可以使用边缘光线和参考光线高度和边缘光线和参考光线角度而被参数化。则H＝n*(y*sin(ubar)-ybar*sin(u))成立，其中n是折射率，y是边缘光线高度，ybar是参考光线高度，u是边缘光线角度并且ubar是参考光线角度。

当氟化钙(CaF₂)被用作透镜材料时，材料特有的峰值负载P可以在例如5mJ/cm²，具体地在大约10mJ/cm²周围的范围中；而当合成熔融石英被用作透镜材料时，材料特有的峰值负载P可以在例如0.2mJ/cm²和1.5mJ/cm²之间的范围，具体地在大约0.5mJ/cm²周围的范围。峰值负载在一些情形中可以较高，例如当目前的材料特性被改善时。通过示例的方式，可以将氟化钙的可允许的峰值负载移动至较高的值，例如，只要范围在大约20mJ/cm²周围或者在大约40mJ/cm²周围或者在大约80mJ/cm²周围。

刚才描述的使用Delano图的方法被用于获得图5中的实施例的负载优化的结构。该示范性实施例的重要数据可以概述如下：

在傅立叶光学***的前焦点的发射平面

入口面的直径：35mm

至第一元件L1-1的距离：75mm

在傅立叶光学***的后焦点的接收平面

出口面的直径：100mm

至最后元件L2-3的距离：10mm

发射器和接收器之间的距离A(对应于焦平面距离)：1750mm

组距离dσ：1254mm

焦距长度f_FOS：25000mm

结构长度L对焦平面距离A的比率：0.950

组距离/焦距长度的比率(d_G/f_FOS)：0.050

结构长度/焦距长度的比率(L/f_FOS)：0.075

面积关系和负载比率编辑在下面的表B中：

表B

为了图示，图13示出了半定量图，其中面积相关的辐射功率密度S(单位[W/m²])对于***的各不同的表面以条形图被绘出。该图尤其披露了，在入口平面(发射平面)510中的辐射功率密度是在对于其进行傅立叶变换的出口平面(接收平面)520中的辐射功率密度的2倍大，因为辐射穿过的面积对应地比在入口平面中大，考虑到束扩展。最高的辐射负载出现于第二透镜组LG2的入口侧负透镜L2-1，辐射束由第一透镜组的多个透镜聚焦在负透镜L2-1上。但是，尽管非常小的结构长度，在具有最高负载的透镜L2-1的辐射功率密度小于在入口面的面积相关的辐射功率密度的9倍，并且具有大约8.0mJ/cm²的值，它显著低于所使用的合成熔融石英的大约10mJ/cm²的材料特有的破坏阈值。

屈光度序列pnnp不是构造具有可比较的远程因子TF＝(L/f_FOS)的傅立叶***的唯一可能性。具有屈光度序列pppp，pnpp或者ppnp的具有相似结构长度的变型是可能的。

图14示出了对应的Delano图。所有的示例在边界条件f_FOS＝25000mm，EPD＝36mm，NA_O＝0.0018并且第二透镜组的结构长度小于250mm下计算并且对于20mJ/cm²的最大负载设计。图14A示出了具有屈光度序列pppp的四透镜***的示范性实施例。总结构长度是1526mm。图14B示出了对于具有屈光度序列pnnp和1576mm的结构长度的四透镜***的Delano图。图14C示出了对于具有屈光度序列ppnp和1576mm的结构长度的四透镜***的Delano图。在每个情形中，透镜为单独的透镜。

如已知的，在一些情形中，将单独的透镜分为两个或者更多的透镜是有利的，在该情形中出现的多透镜的透镜组的屈光度则可以基本对应于单独透镜的屈光度。由此额外的自由度是可能的，例如在相差的修正中。具有5、6或者更多的透镜和对应的屈光度组合的进一步变型因此也是可能的。但是具有四个单独透镜的***构成了对于构造轴向紧凑***的代表性基本形式，该***具有长焦距长度和相对小的远程因子Uf_FOS(例如小于1/6或者1/8或者1/10的远程因子)。

傅立叶光学***500在其入口侧(发射侧)上并且在其输出侧(接收侧)上是远心的。特别为了允许辐射基本垂直地穿过出口平面(接收平面)，在第二透镜组LG2中提供了三个透镜，其中出口侧最后透镜L2-3基本上提供出口侧远心性。

在示范性实施例中，所有透镜表面都是球面。在其它实施例中，至少一透镜具有至少一非球形透镜表面。具体地，最接近出口平面的出口侧透镜表面S10可以具有非球形，尤其为了有效地贡献于出口侧远心性。

为了获得在出口平面中局部辐射功率的均匀叠加，应当至少大致符合Abbe正弦条件。如果存在与正弦条件的可感知的偏差，则可以在出口平面中出现局部照射的变化并且因而不完全的均匀化。已经发现符合正弦条件可以被简化，如果第二透镜组的入口侧透镜元件(也就是说透镜L2-1)的屈光度，被分布于二或者更多的透镜元件中。在这样的示范性实施例中，第二透镜组可以因而具有四或者五个透镜元件。

基于另一示范性实施例在下面解释，可以通过使用至少一对相互正交取向的两个圆柱透镜***进一步减小上述结构长度的下限。在该方面，图15通过示例的方式示出傅立叶光学***1500的透视图，该傅立叶光学***1500包括串连布置的两个圆柱光学***Z1和Z2。第一圆柱光学***Z1直接跟随着入口面1510，其完全由在x方向具有有限曲率半径(并且因而在x-z平面中的屈光度)，但是在正交的y方向中不弯曲并且因而在y方向(也就是说在y-z平面中)中不具有屈光度的圆柱透镜组成。这些圆柱透镜在此也被称为“x透镜”。布置于下游的第二圆柱透镜***Z2仅具有在y方向具有有限曲率半径并且在x方向具有无限曲率半径的透镜(y透镜)。以x透镜构造的第一圆柱透镜***，具有相互间隔开的两个透镜组LGX1、LGX2，在其间存在比透镜组LGX1和对应的LGX2的部分结构长度大的距离。入口侧第一透镜组LGX1具有入口侧第一透镜L1X-1和出口侧第二圆柱透镜L1X-2，入口侧第一透镜L1X-1具有正屈光度，且出口侧第二圆柱透镜L1X-2具有负屈光度。布置于出口侧第二圆柱透镜L1X-2下游的大距离处的第二透镜组LGX2，具有入口侧第一透镜L2X-1和出口侧第二透镜L2X-2，入口侧第一透镜L2X-1的屈光度在两个透镜元件之间划分，出口侧第二透镜L2X-2的屈光度在直接接续的具有正屈光度的两个圆柱弯月面透镜之间划分。在各情形中替代被划分的透镜，也可以提供单独的透镜。在y方向起作用的第二圆柱透镜***Z2，具有入口侧第一透镜组LGY1和出口第二透镜组LGY2和屈光度序列pnnp的对应的构造。第一圆柱透镜***Z1引起仅在x方向进入的光束的辐射功率的缩限，而布置于下游的第二圆柱透镜***仅在与其正交的y方向起作用。一维屈光度被相互匹配，使得在入口侧正方形输入场的情形中，输出场也是正方形的。下面给出具有大量圆柱透镜的这样的构造为什么可以就在负载而言导致比具有旋转对称透镜的构造轴向更为紧凑的傅立叶光学***的解释。

在这方面，图16通过示例的方式示出了具有正方形截面面积的输入场(在左面示出)和通过傅立叶光学***FOS将输入场转换为输出场(在右面示出)的示意图。将假设入射光束具有正方形截面(具有边长2a)和对应于光束的数值孔径的二倍的散度DIV(DIV＝2NA)。如在上面所解释的，使用Delano图，就辐射负载而言，可以确定最小可以允许的结构长度。图5示出了具有pnnp结构和五个透镜的这样的傅立叶光学***的简单示例。在该情形中，p对应于具有正屈光度的透镜并且n对应于具有负屈光度的透镜。(对于输出场的远心性不重要的情形，如在某些环境下的摄影物镜，具有正屈光度的输出侧上的最后透镜也可以被省却，因而导致pnn结构)。

图17示出了对于具有来自图15的要求的具有四个透镜(pnnp)的傅立叶光学***的简化的Delano图。阴影线区内的透镜“看见”大于或者等于ξI₀的能量负载。参数ξ因而是描述透镜材料的材料特有的负载上限的参数。将假设通过***传输的总功率P是常数，并且I₀＝P/4a²成立。

为了简化的原因，下面将假设具有均匀强度分布I₀的各向同性输入辐射场，也就是说入口面的各表面元件“看见”相同的强度I₀。此外，将假设顶帽型角度分布，这基本上意味着在最小光线角度和最大光线角度之间存在均匀的光线角度分布。在这些假设下，对于旋转对称光学***，可以根据下列方程(B1)计算沿光轴的各平面中的最大强度：

$I\left(z\right)=\frac{I_0\·a^2}{\max {(y,\stackrel{\‾}{y})}^2}---\left(B1\right)$

在该情形中，max(y，

)是Delano图中两个坐标的最大值并且代表光线范围的量度。如果由I_max＝ξ·I₀给出的输入光线的强度来表达负载的上限，则在Delano图中在方程(B1)中***之后的结果是对于透镜的禁止的正方形区域，其围绕原点具有半边长a/√ξ(见图17中的阴影线区)。在Delano图中示出的光学单元的结构长度可以随后由下列方程(B2)表示：

$d=\frac{1}{a\·\mathrm{NA}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left|\begin{array}{cc}{y}_i& {\stackrel{\‾}{y}}_i\\ y_i& {\stackrel{\‾}{y}}_{i+1}\end{array}\right|---\left(B2\right)$

其中下标i在Delano图中的节点上并且因而在所有透镜上。因而，通过示例的方式，具有最小结构长度的具有四个透镜的傅立叶光学***在Delano图中的节点在(0，a/√ξ)和(a/√ξ，0)。因而，这样的理想的光学***仅要求第一透镜组的出口侧最后透镜和第二透镜组的入口侧透镜之间的结构空间，其中该结构空间根据方程(B2)所得如下：

$d=\frac{a}{\mathrm{NA}\·\mathrm{\ξ}}---\left(B3\right)$

该距离d对应于最小组距离d_G。在由圆柱光学单元构成的光学***的情形中，例如在图15中所示意性地示出的，在具有四个透镜的***的情形中光线路径根据上述示例仅在一维中被缩限。该结果是辐射负载仅随光线缩限线性增加。在Delano坐标中表示，沿光轴的最大能量负载则可以如下计算：

$I\left(z\right)=\frac{I_0\·a}{\max (y,\stackrel{\‾}{y})}---\left(B4\right)$

与方程(B1)的对比示出在这里边长a不具有二次影响，而仅有线性影响。由于能量原因这导致在Delano图中对于透镜的“禁止”区域，该区域具有半边长σ/ξ，并且因而导致了距离的下限：

$d_{\mathrm{Cylinder}}^{\left(1\right)}=\frac{a}{\mathrm{NA}\·{\mathrm{\ξ}}^2}---\left(B5\right)$

但是，为了利用圆柱光学单元在相互正交的两个方向对应地成形光束，可以提供一个接一个并且具有正交取向的曲率面的圆柱光学单元。由于辐射束已经在一方向中被成形，在Delano图中对于第二圆柱光学单元的负载极限变化为a²/bξ，这导致最小的结构长度，根据：

$d_{\mathrm{Cylinder}}^{\left(2\right)}=\frac{a^3}{b^2\mathrm{NA}\·{\mathrm{\ξ}}^2}---\left(B6\right)$

这导致传统旋转对称光学单元(由最小组距离d或者d_G指示)和具有两个相互正交的圆柱光学单元(由

指示)的结构长度的比。

$\frac{d_{\mathrm{Cylinder}}^{\left(1\right)}+d_{\mathrm{Cylinder}}^{\left(2\right)}}{d}=\frac{1+\frac{a^2}{b^2}}{\mathrm{\ξ}}---\left(B7\right)$

这给出下列结果：既便在圆柱光学单元被使用的情形中，在两个空间方向(x和y方向)的两个傅立叶光学***必须被连续地布置，总的结构长度对于大的ξ值，也就是说对于大的负载上限，比在旋转对称傅立叶光学***的情形中较短。如果，通过示例的方式，具有相同尺寸(a＝b)的输入场和输出场，则具有圆柱光学单元的该***对于ξ＞2较短。

通常，总结构长度在某种程度上大于这里在简化假设下所示出的关系。在此首先重要的是，在透镜组内透镜之间的一定的结构空间也是必须的(也就是说，例如在透镜L-1和L1-2之间以及也在L2-1和L2-2之间)。还应当考虑各圆柱光学***要求输入顶点焦距长度并且相应的输出顶点焦距长度，对应于其正交光学***的结构长度。然而，具有至少两对正交取向的圆柱光学***的顺序的傅立叶光学***(具有相同的总焦距长度)可以在某些环境下，被设计得轴向短于相同焦距长度的圆光学***(旋转对称***)。

为了展示关系，结合图18至20定量解释比较例。例如，假定a＝18mm，NA＝0.0018，b＝18mm和ξ＝3成立。图18示出了具有四个透镜和透镜序列pnnp的旋转对称的傅立叶光学***的相应的Delano图。该***具有3692mm的总结构长度。在具有圆柱光学单元的整体结构的情形中，出现下列图。图19示出了具有长输出顶点焦距长度的第一圆柱光学单元的Delano图，它在照射方向被布置于第二圆柱光学单元(图20)的上游。第一圆柱光学单元具有1383mm的结构长度和1469mm的输出顶点焦距长度。第二圆柱光学单元的Delano图在图20中示出，第二圆柱光学单元具有1386mm的结构长度和1466mm的输入顶点焦距长度。这导致用圆柱光学单元构造的傅立叶光学***的总结构长度为2852mm，这因而比具有相同屈光率的旋转对称光学单元短大约1.3的因子。

布置得一个接一个的划分为两个“纯”圆柱透镜***(也就是说仅用x透镜或者仅用y透镜构造的***)不是强制的。圆柱透镜也可以以交叉的方式布置，使得x透镜和y透镜可以可能地交替增加。结果，结构长度可以被进一步缩短。通过示例的方式，具有屈光度序列p_x/n_x/n_x/p_y/p_x/n_y/n_y/p_y的构造是可能的，其中例如p_y指称具有正屈光度的y透镜。

下面参考图21至24描述具有旋转对称透镜的傅立叶光学***的又一示范性实施例。

图21中的傅立叶光学***2100精确地具有六个透镜，其被排布为以距离d_G相互布置的两个透镜组LG1、LG2。入口侧第一透镜组LG1依次具有入口侧第一透镜L1-1和两个出口侧第二透镜即负透镜L1-2和负透镜L1-3，入口侧第一透镜L1-1为具有非球入口面的双凸正透镜，负透镜L1-2在入口侧上凹入并且在出口侧上为平面，负透镜L1-3在两侧都凹入。以大的距离d_G布置于其下游的第二透镜组LG2具有入口侧第一透镜(双凸透镜)L2-1(具有正屈光度)和两个出口侧第二透镜，即双凸正透镜L2-2和出口侧双凸正透镜L2-3，透镜L2-3形成傅立叶光学***的出口侧最后透镜。

紧接入口平面的第一透镜L1-1由合成熔融石英(SiO₂)构成，而所有其他透镜由氟化钙(CaF₂)构成，氟化钙更抗辐射。该透镜的非球入口面基本为修正球面相差而设计。中间的图像IMI在第二透镜组的双凸正透镜L2-1和L2-2之间形成。如果考虑透镜L2-1和L1-3在各情形中是负透镜，而在各情形中透镜L2-1和L2-2是正透镜，对于该***导致屈光度序列pnpp。如在傅立叶光学***500的情形中，入口平面或者发射平面位于傅立叶光学转换器2100的前焦点，而出口平面或者接收平面位于转换器的后焦点。该***具有结构长度L＝1617.4mm和1180mm的透镜组LG1和LG2之间的组距离d_G。傅立叶光学***具有10000mm的焦距长度f_FOS。***数据在表C中被指示，相似于在表A中的指示。

表C

非球系数

表面	K	C4	C6	C8
					S1	-4.3329	2.4307E-07	-3.0547E-11	-1.3903E-15

表C的下部指示透镜L1-1的非球表面的非球数据。在本申请中，非球表面根据下列规定计算：

p(h)＝[((1/r)h²)/(1+SQRT(1-(1+K)(1/r)²h²)]+C4*h⁴+C6*h⁶+....

在该情形中，半径的倒数(1/r)指示表面曲率，并且h指示表面点距光轴的距离(也就是说光线高度)。结果，p(h)指示所谓矢，即表面点在z方向(光轴方向)距表面顶点的距离。

表D总结了傅立叶光学***2100的又一特征的重要参数。从此具体地显见具有TF＝0.1617的远程因子TF＝L/f_FOS大于在第一示范性实施例(图5)中的2倍，这基本上归结于与该示例相比焦距长度减小了2.5倍，因为结构长度基本在相同的数量级。

表D

在表C中示出的示范性实施例在入口侧上和在出口侧上是远心的，并且因而被设计为将具有基本平行的光线的输入光束转换为具有继而基本平行的光线的输出光束。但是在本申请中所述的类型的傅立叶光学***还可以被设计，使得入口侧会聚光束或者入口侧发散光束被转换为出口侧会聚光束或者发散光束或者平行光束，或者将入口侧平行光束转换为出口侧会聚光束或者发散光束。这在下面根据示例解释。

如果具有正(负)屈光度的透镜被放置于例如直接在出口面之后，如果所述透镜具有正屈光度，则出口侧平行光束变成会聚光束，如果所述透镜具有负屈光度，则出口侧平行光束变成发散光束。该附加的透镜的屈光度也可以被集成进入傅立叶光学***的出口侧最后光学元件(这里L2-3)。在傅立叶光学***2100的改进的情形中，在出口面之后，例如，获得会聚的光束，这对应于具有1000mm焦距长度的透镜，如果出口侧最后表面(S12)的半径从295.21mm被缩短至186.36mm。以对应的方式，在出口面之后，可以获得发散的光束，这对应于具有-1000mm的焦距长度的透镜，如果出口侧最后表面S12的半径从295.21mm增加至716.53mm。

相似地，还可以匹配傅立叶光学***与会聚或者发散的入口光束，通过给予入口侧第一透镜L1-1附加的屈光度来补偿入射光束的会聚或者发散光束。结果，这里所述类型的傅立叶光学***可以设计用于以任何期望的组合的会聚还有平行或者发散的光束。具有发散和/或会聚的输入光束和/或输出光束的傅立叶光学***的焦距长度应当以与在入口面和出口面具有平行光束的对应补偿的傅立叶光学***相同的方式理解。

傅立叶光学***2100，以对于第一示范性实施例相似的方式，也对于内部透镜(尤其被辐射危害)的辐射负载被优化，并且以这样的方式使得这些透镜的辐射负载保持在对于氟化钙所考虑的辐射负载阈值以下。为了示意的目的，图22示出了半定量的图，其中对于该***的各透镜表面S1至S12的面积相关的辐射功率密度以条形图绘制。不绘制绝对值，而是绘制了对于入口侧第一透镜表面S1的辐射负载的值归一化的值。由此显见的是，既便位于最为靠内的透镜L1-3和L2-1的透镜表面S5至S8也仅暴露于对应于最大至入口面的辐射负载的大约3倍的辐射负载。相对均匀并且同时负载相对低的透镜L1-3、L2-1和L2-2尤为显著。

现将参考图23和24解释具有非常长的焦距长度(50m)的示范性实施例。在图23中傅立叶光学***2300具有精确地四个透镜，其排布为以相互距离布置的两个透镜组LG1、LG2。入口侧第一透镜组LG1具有入口侧第一透镜L1-1和出口侧第二透镜L1-2，入口侧第一透镜L1-1具有凸、非球入口面和凸出口面(正透镜)，出口侧第二透镜L1-2具有负屈光度，且其包括入口侧非球双凹透镜。以大的组距离d_G被布置于其下游的第二透镜组LG2具有双凹负透镜形式的入口侧第一透镜L2-1和具有平坦入口面和非球出口面的出口侧平凸透镜。所有透镜都由抗辐射的氟化钙构成。***数据在表E中详细说明，相似于在表C中的规格。

表E

非球系数

表面	K	C4	C6	C8
					S1	0.34241	4.8982E-09	1.3071E-12	-1.6428E-15
S3	-7.6761	-5.2529E-06	5.6120E-09	-2.5781E-12
					S8	-1.0823	-1.9477E-09	-1.3449E-14	5.0407E-19

非球表面的非球面形状基本上被设计用于球面相差的校正和用于彗差和失真的校正。

表F总结了傅立叶光学***2300的又一特征的重要参数。这披露了，具体地，具有TF＝0.046266的远程因子(telefactor)TF＝L/f_FOS仅具有在第一示范性实施例(图5)中的大约65％的大小，这基本上归结于焦距长度与该示例相比增加2倍，而结构长度(2313.3mm)仅比第一示范性实施例中大了大约43％。

表F

图24示出了，类似于图23，该***的单独的表面的辐射负载，在各情形中对于入口侧第一透镜表面S1的辐射负载归一化。显然，与入口面相比第一透镜组LG1的出口侧负透镜L1-2的辐射负载被提高了大约7.4倍并且第二透镜组LG2的入口侧负透镜的辐射负载被提高了大约5.4倍。通过选择抗辐射的氟化钙作为透镜材料，透镜仍然保持在材料特有的负载限值以下。

表G以清晰的综述总结了三个示范性实施例的基本数据。

表G

Claims (26)

1.一种采用来自主光源的光照明一照明场的微光刻投射曝光设备的照明***，包括：

可变可调节光瞳成形单元，从所述主光源接收光并且在所述照明***的光瞳成形面中产生可变可调节的二维强度分布，

其中所述光瞳成形单元具有傅立叶光学***，将通过所述傅立叶光学***的入口平面进入的入口光束转换为从所述傅立叶光学***的出口平面离开的出口光束，

所述傅立叶光学***具有焦距长度f_FOS和沿光轴在入口侧第一***表面和出口侧最后***表面之间测量的结构长度L并且条件(L/f_FOS)＜1/6成立，

所述傅立叶光学***包括具有入口侧第一透镜和出口侧第二透镜的第一透镜组并且还有布置于所述第一透镜组下游并且具有入口侧第一透镜和出口侧第二透镜的第二透镜组，其中在所述第一透镜组的出口侧最后***表面和所述第二透镜组的入口侧第一***表面之间存在组距离d_G，

在第一透镜组的出口侧最后***表面和第二透镜组的入口侧第一***表面之间存在对于条件d_G＞0.6*L成立的组距离d_G。

2.根据权利要求1的照明***，其中所述条件(L/f_FOS)＜0.1成立。

3.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***的焦距长度f_FOS是10m或更大并且所述结构长度L小于4m。

4.根据权利要求1的照明***，其中在第一透镜组的出口侧最后***表面和第二透镜组的入口侧第一***表面之间存在对于条件d_G＜0.12*f_FOS成立的组距离d_G。

5.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***被设计用于传输给定几何光通量H下的每单位时间的辐射能量E，P_A是所述第一透镜组的出口侧第二透镜的可预先确定的最大能量负载，并且P_B是所述第二透镜组的入口侧第一透镜的可预先确定的最大能量负载，并且所述第一透镜组的出口侧最后***表面和所述第二透镜组的入口侧第一***表面之间的组距离d_G不小于最小组距离d_G ^min，其中对于所述最小组距离下式成立：

d_G ^min＝n/H*E/(PaPb)^1/2。

6.根据权利要求5的照明***，其中所述组距离d_G在d_G ^min和3×d_G ^min之间。

7.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***被设计用于0.01mm＜H≤0.2mm的几何光通量，其中H是入口光瞳的半径EPD/2、入口侧数值孔径NA_O和入口侧折射率n_O的乘积。

8.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***具有4、5或者6个透镜。

9.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述入口侧第一透镜组精确地具有两个透镜。

10.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***具有至少一具有至少一非球面形状透镜表面的透镜。

11.根据权利要求1或者2的照明***，其中最接近于所述出口平面的所述傅立叶光学***的出口侧透镜表面具有非球面形状。

12.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***在所述入口侧上和出口侧上是远心的。

13.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***包括至少一平面偏转镜。

14.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***以Z形方式被折叠。

15.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述傅立叶光学***具有至少一对十字圆柱透镜***，其中一对十字圆柱透镜***具有第一圆柱透镜***和第二圆柱透镜***，所述第一圆柱透镜***具有弯曲为第一曲率面的至少一第一圆柱表面，所述第二圆柱透镜***具有弯曲为第二曲率面的至少一第二圆柱表面，其中所述第一曲率面与第二曲率面相互垂直。

16.根据权利要求15的照明***，其中所述傅立叶光学***具有第一圆柱透镜组，和被布置于下游的第二圆柱透镜组，所述第一圆柱透镜组具有多个第一圆柱透镜，所述第二圆柱透镜组具有多个第二圆柱透镜。

17.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述光瞳成形单元具有布置于所述傅立叶光学***上游的光混合装置。

18.根据权利要求17的照明***，其中所述光混合装置包括蝇眼聚光器。

19.根据权利要求1或者2的照明***，其中所述光瞳成形单元具有光调制装置，用于可控改变入射于所述光调制装置上的光束的角度分布，并且所述傅立叶光学***被布置于所述主光源和所述光调制装置之间。

20.根据权利要求19的照明***，其中所述光调制装置包括可以用于改变所述入射于所述光调制装置上的光束的角度分布的可单独驱动的单独元件的二维阵列布置。

21.根据权利要求19的照明***，其中所述光调制装置包括具有多个可单独驱动的单个镜的多镜阵列(MMA)。

22.一种用于将通过傅立叶光学***的入口平面进入的入口光束转换为从傅立叶光学***的出口平面离开的出口光束的傅立叶光学***，其中所述傅立叶光学***具有焦距长度f_FOS和沿光轴在入口侧第一***表面和出口侧最后***表面之间测量的结构长度L并且条件(L/f_FOS)＜1/6成立，

所述傅立叶光学***包括具有入口侧第一透镜和出口侧第二透镜的第一透镜组并且还有布置于所述第一透镜组下游并且具有入口侧第一透镜和出口侧第二透镜的第二透镜组，其中在所述第一透镜组的出口侧最后***表面和所述第二透镜组的入口侧第一***表面之间存在组距离d_G，

在第一透镜组的出口侧最后***表面和第二透镜组的入口侧第一***表面之间存在对于条件d_G＞0.6*L成立的组距离d_G。

23.根据权利要求22所述的傅立叶光学***，其特征为权利要求2至16任一的特征部分。

24.一种用于从主光源接收光线并且在照明表面中产生基本均匀的二维强度分布的光混合***，其中所述光混合***具有在权利要求22和23任一项中所述的傅立叶光学***和在布置于所述傅立叶光学***的上游的角域中有效的光混合装置。

25.根据权利要求24的光混合***，其中所述光混合装置包括蝇眼聚光器。

26.一种微光刻投射曝光设备，采用掩模图案的至少一个像曝光布置于投射物镜的像面的区域中的辐射敏感衬底，所述掩模图案的至少一个像布置于所述投射物镜的物面的区域中，所述设备包括：

主光源；

照明***，从所述主光源接收光并且成形引导到所述掩模图案上的照明辐射；

投射物镜，成像所述掩模图案于光敏衬底上，

其中所述照明***以在权利要求1至21任一中的方式被构造。

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